增氧低NOx燃燒的製作方法
2023-07-05 12:11:31 3
專利名稱：增氧低NOx燃燒的製作方法
技術領域：
本發明涉及烴燃料的燃燒，具體涉及煤的燃燒。
背景技術：
在美國和世界各地，環境意識正在增強，從而導致了與日俱增的公眾及規章制度的壓力，要求降低鍋爐、焚化爐和加熱爐汙染物的排放。特別受到關注的一種汙染物是NOx(表示氮的各種氧化物，例如但不限於NO、NO2、N2O、N2O4和它們的混合物)，它已經與酸雨、地表臭氧和細微粒子的形成牽連在一起。
許多技術可以用來減少NOx的排放。這些技術可以劃分為兩個主要類別，初始性的和二次性的。初始性技術通過控制燃燒過程在燃燒區最小化或防止NOx的形成。二次性技術使用化學藥品將燃燒區形成的NOx還原為分子氮。本發明是初始性控制技術。
在通常稱為分段燃燒的初始控制技術中，仔細控制燃燒空氣與燃料的混合以使NOx的形成減到最小。由燃料中的氮形成的NOx基於下面兩個競爭過程由燃料揮發分中的含氮物質和木炭中的氮形成NOx與形成N2的競爭。富氧條件驅使競爭反應向形成NOx的方向進行。富燃料條件驅使反應形成N2。初始控制策略就利用了這一現象，它通過仔細控制空氣與燃料的混合來形成富燃料區以阻止NOx的形成。為了減少NOx的排放，富燃料區必須足夠熱以利於NOx的還原動力學。然而，足夠的熱量必須從富燃料的第一階段轉移到爐子熱負荷，以防在第二階段NOx的熱形成。
到目前為止，最普通的初始控制裝置是低NOx燃燒爐(LNB)。在該裝置中，空氣通常以空氣動力學方式停留用以形成富燃料區和隨後的燃盡區。通常低NOx燃燒爐包括第一區，該區在進料口附近，由一次空氣和燃料控制並且是富燃料的。在第二區，只要嚴格控制局部的化學計量比，二次和三次空氣中的剩餘空氣將允許燃料中的氮繼續通過化學過程形成N2。在該區中，烴和木炭被燃盡。儘管LNB是一種相當昂貴的減少NOx的方法，但是目前可行的方案還沒有能夠達到即將出臺的(pending)規定中的排放限度。其它問題是灰燼中碳增多和火焰穩定性的降低。
低NOx燃燒爐代表了一種相當成熟的技術，並在專利和檔案文獻中進行了廣泛的討論。許多想法被提出用以提高LNB的效率同時使不利影響最小化，例如較差的火焰穩定性和灰燼中碳的增加。在這些想法中有兩個是特別相關的將第一階段的空氣預熱，和將燃燒室轉變為氧-燃料燃燒。
空氣預熱和氧-燃料燃燒通過升高初始區的溫度來提高分段燃燒的效率而不增加化學計量比。氧-燃料燃燒還提供了由於低氣體流速而在富燃料區停留時間長的附加優點，該優點已經顯示出可以減少NOx的排放。如上面所討論的，分段燃燒採用富燃料階段來提高N2而不是NOx的形成。由於形成N2的反應是動力學控制的，溫度和烴基團的濃度是減少NOx形成的關鍵。例如，如果溫度高而基團濃度低，如在不分段或輕微分段的條件下，NOx的形成增加。當基團濃度高但溫度低時，例如在強分段條件下，中間產物的轉變如HCN轉變為N2受阻。當增加空氣以完全燃燒時，中間產物被氧化形成NOx，因此淨NOx的形成增加。Sarofim等「Strategies for Controlling Nitrogen OxideEmissions During Combustion of Nitrogen bearing fuels」，69thAnnual Meeting of the AIChE，Chicago，IL，Nov.1976，和其它人建議通過預熱助燃空氣到相當高的溫度來提高第一階段的動力學。另外，Kobayashi等(「NOx Emission Characteristics of IndustrialBurners and Control Methods Under Oxygen Enriched CombustionConditions」，International Flame Research Foundation 9thMembers』Conference，Noordwi jkerhout，May 1989)建議使用氧氣代替助燃空氣也增加該階段的動力學。在這兩種情況下，淨結果是第一階段氣體的溫度升高而基團的濃度保持相同，從而導致NOx形成減少。此外，採用空氣預熱和氧-燃料燃燒允許第一階段燃燒更深地進行而不會降低火焰的穩定性。這甚至允許NOx形成進一步減少。
氧-燃料燃燒還為LNB提供了另外的優點。Timothy等(「Characteristics of Single Particle Coal Combustion」，19thSymposium(international)on Combustion，The CombustionInstitute，1983)指出當煤在富氧條件下燃燒時，脫揮發時間顯著減少，並且揮發率增加。這些測試是在燃料高度貧乏條件下進行的單顆粒燃燒測試，這些測試不能提供在更實際的燃燒條件下完成燃燒需要多少氧氣的信息。更高的揮發率意味著與基線相比，氣相中的可燃物增加，產生更富燃料的氣相，這抑止了由揮發性含氮物質生成NOx。此外，燃料的揮發分點燃迅速並且能穩定燃燒器中的火焰，已經表明這降低了NOx的形成。增加的揮發率還導致更短的燃盡時間，因為更少的炭剩餘下來。
雖然現有技術描述了幾種極好的改進分段燃燒的方法，但是LNB的幾個實際問題限制了它們的應用。首先，預熱助燃空氣到增進動力學過程所要求的水平需要對系統和空氣管道進行多處改造。空氣加熱器和節熱器部分必須改造以允許進入的空氣被加熱到更高的溫度，這可能還需要對剩餘的蒸汽循環部件進行改造。管道系統和風箱系統以及燃燒爐自身也必須改造以處理熱空氣。所有改造的費用高昂並可能對鍋爐的操作產生不利的影響。
鍋爐中採用氧-燃料燃燒的主要障礙是氧氣的費用。為了使氧氣的使用經濟，通過增加燃燒效率獲得的燃料節約必須大於提供氧氣的花費。對於高溫操作，如沒有熱量回收的加熱爐，這是容易做到的。然而，對更高效的操作，如鍋爐，通過採用氧-燃料燃燒得到的燃料節約通常遠低於氧氣的花費。例如，如果一個典型的燃煤鍋爐從空氣燃燒轉變到氧氣燃燒，出自該鍋爐的大約15-20％的功率輸出需要用於生產所需要的氧氣。很顯然，這對於大多數鍋爐是不經濟的。
因此，一直需要一種方法，該方法在含有一種或多種含氮化合物的燃料(特別是煤)的燃燒過程中實現NOx排放的減少，特別是需要一種方法，該方法可以在現有加熱爐中進行，而且無需大範圍的結構改造。
發明概述本發明的一個方面是一種燃燒燃料方法，所述燃料含有一種或多種含氮化合物，該方法包括按低於一定值的化學計量比向第一燃燒階段加入所述燃料和包含高於21體積％氧氣，優選21.8-29體積％氧氣的氣態氧化劑，其中的一定值是指如果該階段用空氣作為僅有的氧化劑進行操作，該化學計量比將產生相同量的NOx；並且在該燃燒階段燃燒上述燃料產生燃燒產物和未燃燒的燃料。
所述未燃燒的燃料優選在第二燃燒階段用另外的氧化劑氣流燃燒，所有氧化劑氣流(包括加入第一階段的氧化劑)的平均氧含量在20.9-27.4體積％氧氣的範圍內，同時從燃燒產物排熱足夠的熱量並從第一階段移走未燃燒的燃料，例如通過與蒸汽發生管的熱交換，以達到足夠低的溫度使在所述第二階段的燃燒中NOx的額外生成最小化。
本發明的另一方面是它能夠容易改造現有加熱爐，在現有加熱爐中，烴燃料用空氣作為唯一的氧化劑進行燃燒，以減少加熱爐形成的NOx量。本實施方案是一種操作加熱爐的方法，與用空氣作為唯一的氧化劑的加熱爐中燃料的燃燒形成的NOx量相比，在本方法中燃燒烴燃料以減少加熱爐中形成的NOx量，本方法包括按低於一定值的化學計量比向加熱爐的第一燃燒階段加入所述燃料和氣態氧化劑，該氣態氧化劑包含高於21體積％的氧氣，所述一定值是指如果該階段用空氣作為僅有的氧化劑進行操作，該化學計量比將產生相同量的NOx；並且在該燃燒階段燃燒所述燃料與所述氣態氧化劑產生燃燒產物和未燃燒的燃料。
在上述實施方案的任何一個中，氧氣的加入可以以單一純氧氣流或高富氧空氣流的形式，或以多股純氧氣流和/或高富氧空氣流的形式進行。
附圖
簡述附圖是NOx系圖。
發明詳述本發明在提高分段燃燒效率的同時克服了上述困難。本發明在單段燃燒器中也可以採用。本發明可用於烴燃料的燃燒，如煤、燃油(包括重油)和瀝青。這些燃料一般含有少量的自然存在的含氮的烴化合物，通常為雜環化合物。
在下面描述中，應當理解，注入一段燃燒裝置的氧化劑的氧氣含量代表將該段作為一個整體時的平均氧氣含量，儘管在該區中氧氣的含量可以在不同的給定點有變化。
本發明利用了如下發現，即在氧氣和燃料的一定範圍和比例下，使用非常少量的氧氣導致NOx形成的顯著減少，因此無需昂貴的鍋爐改造或用純氧-燃料燃燒減少NOx的形成所需的費用。
更具體地，已經確定，正如根據現有技術的相關闡述所預期的，在空氣中分段燃燒的第一段中通常觀察到的化學計量比下，提高空氣中的氧氣含量會增加NOx的形成。在這裡使用的「化學計量比」是注入氧氣與使構成進料的物質中所有的碳、硫和氫完全轉化為二氧化碳、二氧化硫和水所需要的氧氣總量之比。
然而，非常令人驚奇的是，已經發現存在具有如下性質的較低化學計量比即伴隨著氧化劑氣體中氧氣總含量的相對微小增加，在該較低化學計量比下的燃燒導致NOx形成的顯著降低。
在代表某一化學計量比數值的特定點下，對於一組給定的燃燒條件，以及氧化劑氣體中給定總氧含量稍高於空氣裡的氧含量時，無論燃燒在空氣或在該氧化劑氣體中進行，以質量每單位燃料輸入量表示的NOx的形成量是相同的。該點在這裡被稱為「轉折點」；選擇這一術語是為了幫助理解本發明的描述，並且額外的含意不應附加在「轉折」這一特定的詞上。根據例如燃料的組成和氧化劑的總氧氣含量，可以預期在轉折點的化學計量比的具體數值會隨情況變化而變化。本發明在第一段(或在分段燃燒室的富燃料部分)按化學計量比低於轉折點的化學計量比進行燃燒。
例如，氧氣的增加對NOx形成的影響示意地表示在附圖中。通過使用化學動力學計算並在計算中保持從第一區移走的體積和熱量恆定得到的該圖，顯示出兩條曲線，它們描述了當氧化劑是空氣時，以及當完全燃燒燃料所需要的10％的氧氣由純氧供給並且這些氧氣注入第一(富燃料)段時，NOx的形成隨第一段化學計量比變化的關係。用於這些計算的燃料是典型的煙煤，其揮發分含量為34％。附圖中標出一個兩條曲線相交的點「A」，在該點，當燃燒在空氣中或在氣態氧化劑中進行時，NOx的形成相等，在所述氣態氧化劑中，完全燃燒燃料所需要的部分(在本實施例中10％)氧氣由純氧供給其餘由空氣供給。如前面所定義的，點「A」是「轉折點」。在本實施例中的「A」點，化學計量比為約0.585。對於本實施例，假設大約52重量％的煤在氣相中並參加了反應。因此，雖然總化學計量比遠低於1，在該轉折點氣相可能只是略微富燃料的。
當氣相變為貧燃料時，本實施例中初始階段的化學計量比大於約0.585，增加氧氣的效果是顯著增加NOx的形成。然而，已經發現有更低的化學計量比(在本實施例中低於約0.585，0.585是兩曲線交點的化學計量比)，在這些比值時，適當的增加第一段氧化劑中的總氧氣含量(例如，通過增加適當量的純氧或高富集氧)的效果是顯著地降低NOx的形成。本發明在第一段(或在分段燃燒器的富燃料部分)的化學計量比低於轉折點的化學計量比。
實施本發明的優選方法基於以下兩者的結合，促進分段燃燒的需要和材料或經濟上的限制。如前所述，本發明的一個主要目標是減少NOx的形成，而另一目標當然是能夠引發和保持燃燒。如果化學計量比太低，例如低於附圖中表示的本實施例中的約0.4，在第一段的點燃和燃燒將很難。這一較低的限度強烈地依賴於燃料的性質，例如在第一階段釋放出的揮發分的量以及氧化劑的性質。在前面討論的實施例中，最佳的化學計量比範圍是大約0.4-0.585，基於全部煤計算。這相當於0.575-0.85的範圍，基於氣相中假設的燃料計算。作為另一個實施例，注入顯著預熱的純氧或高富集氧將允許燃燒在這樣的化學計量比下進行，它遠低於較低溫度下相同量的氧氣流中的化學計量比。然而，無論何種情況，已經發現在化學計量比低於某一臨界值的區域，該臨界值在前面討論的實施例中為0.4，NOx的形成甚至超過了不加入氧氣時和不進行本發明中的化學計量比控制時的情況。
考慮到這點，為了更加確保在一組給定的燃燒條件下(包括給定的氧化劑氣流，它具有略高於空氣中氧含量的總氧含量)減少NOx的形成，優選在低於前述轉折點化學計量比下進行操作，在轉折點上，在空氣或給定氧化劑氣體中的燃燒產生等量的NOx，但是該化學計量比至少為NOx的形成(由給定氧化劑氣流得到)再次升高並達到前述轉折點上NOx形成量的化學計量比。
換句話說，參考附圖，在點「A」(如在轉折點)，對於在空氣中或在氣態氧化劑中進行的燃燒，NOx的形成相等，在所述氣態氧化劑中，燃燒所需要的10％的氧氣由純氧供給，其餘由空氣供給，在「B」點，NOx的形成與「A」點NOx的形成相等；並且優選在低於「A」點的化學計量比和至少為「B」點的化學計量比下進行燃燒。
操作的最佳化學計量比強烈依賴於燃料的性質、燃燒裝置的種類、燃燒所需的由純氧或高濃縮氧供給的氧氣分數、以及氧化劑的平均溫度。很多方法可以用來確定最佳的操作範圍。這些方法包括如上所述的動力學計算，該計算給出動力學限制的重要信息。在這些計算中，必須小心注意在富燃料條件下氣相中燃料的量，以便能在氣相中充分地描述燃料對氧氣的比例和NOx的形成。計算流體動力學(CFD)的計算可以用來考查部分助燃空氣被氧氣取代的燃燒裝置中空氣動力學分區法的影響。最後，在安裝裝置之前，可用實驗驗證模型的結果。
可以看出，這裡所發現和描述的效果基於氧化劑中總的氧氣含量的增加。該增加可以按如下描述提供用氧氣替代空氣，或通過其它方式如加入富氧空氣，用富氧空氣代替空氣，或加入純的或幾乎純的氧氣，或用純的或幾乎純的氧氣代替空氣。在此，為了方便，氧化劑中的總氧含量增加在大多數情況下被稱為用純氧氣替代空氣，這意味著氧化劑是為了保持氧氣含量相同而部分被純氧所替代的空氣的等價物。假設空氣被認為包含約20.9體積％的氧氣，用氧氣替代各種給定百分數的空氣產生具有如下表的較高的總氧含量的氧化劑用氧氣替代空氣的產生的氧化劑具有的體積百分比氧氣的體積百分比0 20.95 21.81022.71523.72024.82526.13027.43528.94030.6無論是否受到用純氧或其它氧化劑替代空氣的影響，氣體氧化劑的實際總氧氣含量基於下限和上限，在該下限，氧氣將不會產生足夠的影響從而保證它的使用，而在上限，費用將妨礙氧氣的使用或鍋爐或加熱爐的維護將是成問題的。當純氧、或高濃縮氧的氧化劑氣流可以用來在燃燒時提供25％或更多，甚至30％或更多的按化學計量所需的氧氣時，基於目前氧氣的費用和NOx控制動力學所做的計算表明，使用氣態氧化劑的最佳範圍是含有21.8體積％-24.8體積％的氧氣，也就是相應於用氧氣代替5-20％的總燃燒空氣(或在5％和20％之間的任何一個數值，如出現在前面表中的)。當所有的氧氣用於第一段燃燒區並且沒有氧氣用於第二段燃燒區時，用氧氣代替第一段的助燃空氣的最佳範圍變得比上面的範圍高得多，這依賴於第一段燃燒區的化學計量比。
助燃空氣、助燃氧氣和助燃濃縮氧空氣可以用一股或多股氣流提供。輸送氧氣或高濃縮氧化劑氣流的最佳方法基於最大程度地減少NOx、最小程度的改造和系統複雜性。與這些目標相一致，氧氣可以通過一個延伸經過燃燒爐並進入該段的噴槍，或通過燃燒爐緊鄰的牆壁輸送到第一燃燒區。該方法在第一燃燒區提供了最高的氧濃度增加效果，並且允許安裝一個簡易的噴槍裝置。此外，採用該方法局部氧濃度能夠高達用於該過程的氧氣的純度，這將進一步增加燃料顆粒或液滴的脫揮發作用並幫助穩定火焰。該方法還將允許預熱的氧氣能夠被注入而不用考慮過早的點火或燃料的軟化。
本發明實施的其它方面是能夠用常規的方式進行，本領域中的那些普通技術人員對該方式是熟悉的和容易查明的。將要燃燒的煤首先粉碎成尺寸細小的顆粒，以允許在氣體的壓力下通過用於該目的燃燒爐頭部的進料口將其注入到加熱爐或類似的燃燒裝置中。適用於本發明的可用於煤燃燒的燃燒爐頭部、注入粉碎煤的技術、加熱爐和其它燃燒裝置均為常規的。化學計量比和注入燃燒區的氣體氧化劑中的氧氣含量是通過本領域中有經驗的人員所熟悉的控制方式來調節的。本發明的燃料燃燒回收熱量用於發電或用於加熱。
一個簡單的實施本發明的方法是將氧氣注入低NOx燃燒爐的風箱以提供氧化劑氣體，該氣體具有希望的氧氣含量增加，使所得的氧化劑氣體注入整個加熱爐，包括注入第一燃燒區並且通過調節注入第一區的空氣或燃料流使第一燃燒區更加富燃料。這將是分段燃燒的有用方法，其中整個低氮燃燒爐在富燃料條件下進行並且過熱空氣進一步加入鍋爐中的下遊完成燃料的燃盡。另一個方法是將大部分的氧氣注入初始區或富燃料區以增加形成N2的反應。剩餘的氧氣或者注入低氮燃燒爐的後續區，或者注入過熱空氣以促進燃盡過程。最優選的配置是通過噴槍將所有的氧氣注入第一燃燒區和適當地降低第一區燃燒空氣的流速。
氧氣的富集可以用許多方法獲得。一種方法是在鍋爐的風箱中簡單地安裝一個噴灑器使得在進入燃燒爐前讓所希望量的氧氣與所有的燃燒空氣混合。雖然該方法是最簡單的，但是與氧氣直接注入第一燃燒區相比，降低NOx的效率將會被減小。另一個將略微富氧的空氣輸送到燃燒爐中的方法是用管道將預先混合的(空氣-氧氣)混合物直接輸送到第一燃燒區。與在風箱中簡單地混合相比，雖然這將導致更有效的NOx降低，但是附加的管道系統和所需要風箱改造使其吸引力小於最佳情況。
根據具體場所的需要，氧富集的程度也可以變化。雖然已經確定增加氧氣替代超過15％的化學計量氧氣將進一步增進NOx的減少，與其它NOx的控制方法相比，目前氧氣的成本可以使替代高於40％的空氣時才不經濟。此外，當本發明用於現有的鍋爐和加熱爐的改型裝置時，或安裝在常規設計的新加熱爐中時，存在一個可以替代空氣的氧氣量的上限，在此上限之前，不會使鍋爐的平衡受到有害影響。該上限是視具體燃料和地點而定的，但通常是20-30％(相應於總氧氣含量24.8％-27.4％，基於總助燃空氣和氧氣的混合物計算的)。
本發明另一個有用的方面是預熱注入的氧氣或高增濃氧化劑。加熱到最高1800°F的溫度甚至最高3000°F的溫度的預熱氧化劑，將加速燃料的點燃，增進在該區的燃燒，並且增加揮發率。工藝管道系統的材料問題將限制更高溫度。
本發明還可以用於減少鍋爐產生的NOx，方法是在給定鍋爐中選擇性地富集那些已經表明產生大部分NOx和未燃盡碳的燃燒爐。
本發明還可以用於挽回由於鍋爐平衡問題，如當鍋爐從一種燃料轉換到較低熱值的另一種燃料時，已經損失的鍋爐容量。例如，當鍋爐從煙煤轉換到次煙煤時，與次煙煤相關的較大的廢氣體積通常引發下面問題，太多的熱量經過輻射段並且在對流段被吸收。這經常導致鍋爐效率的降低。然而，作為本發明中的部分，當少到5％的總助燃空氣被氧氣所代替時，廢氣的體積變得與燃燒煙煤相同，因此挽回了損失的鍋爐容量。
當本發明在具有第二段的分段燃燒裝置的第一段實施時，第一段的燃燒產物(包括未燃燒的燃料和廢氣)繼續進入第二燃燒段。額外的空氣或氧氣注入該段，燃燒從第一段來的未燃燒的燃料。在該段進行燃燒應該抑止NOx的形成，和優選使NOx的形成最小化。優選的是，應該提供足夠的空氣或氧氣使得未燃燒燃料獲得最大可能程度的燃燒，該程度與在該階段抑止和使NOx的形成最小化一致。
本發明的另一優點是在所描述的條件下在分段燃燒裝置的第一燃燒段(或在分段燃燒室的富燃料區)的燃燒，增加了來自燃料的揮發物質的脫揮發作用，所以在這些條件下得到的焦炭預期會很少，產生比常規分區燃燒裝置好得多的燃盡效果。
本發明的另一優點是第一(或單一)燃燒區中的火焰更好地附著在燃燒爐口。這一特點是有利的，因為與火焰同燃燒爐分離的情況即火焰底與燃燒爐口有段距離相比，該特點相當於NOx形成的減少。此外，用氧氣代替部分燃燒空氣和第一燃燒區的更加富燃料的操作，會在該區造成更長的停留時間，這進一步促進減少NOx的形成。
權利要求
1.一種燃燒烴燃料的方法，包括以低於一定值的化學計量比向第一燃燒區加入所述燃料和氣態氧化劑，該氧化劑包含高於21體積％的氧氣，所述一定值是指如果該區用空氣作為僅有的氧化劑進行下操作，將產生相同量的NOx；並且在該燃燒區內燃燒所述燃料與氣態氧化劑得到燃燒產物和未燃燒的燃料。
2.權利要求1的方法，其中，注入第一燃燒區的氧化劑的平均氧氣濃度為21.8體積％到29體積％的氧氣。
3.權利要求1的方法，其還包括在注入第一燃燒區前加熱氧化劑。
4.權利要求1的方法，其還包括將所述未燃燒的燃料在第二燃燒區用附加的氣態氧化劑燃燒，使得注入第一區和第二區的氣態氧化劑的平均氧氣含量為20.9-27.4體積％氧氣，同時從燃燒產物除去足夠的熱量並從第一區移走未燃燒的燃料，以達到足夠低的溫度使在第二區的燃燒中NOx的額外生成最小化。
5.權利要求1中的方法，其中，第一區的化學計量比低於如下限定的化學計量比如果該區用空氣作為僅有的氧化劑的情況下操作，將產生相同量的NOx；但是所述化學計量比至少為如下限定的較低化學計量比在該化學計量比時，在其它一致的條件下由燃料和氧化劑燃燒形成的NOx的量是所述的相同量。
6.權利要求1中的方法，其中，所說的燃料是煤。
全文摘要
燃料如煤在分區燃燒裝置中燃燒，其方法包括按低於一定值的化學計量比向加熱爐的第一燃燒區加入上述燃料和氣態氧化劑，所述氣態氧化劑包含高於21體積％的氧氣，優選為21.8－29體積％的氧氣，所述一定值是指如果該區在僅有空氣作為氧化劑的情況下操作，將產生相同量的NOx；並在該燃燒區內用氣態氧化劑燃燒上述燃料得到燃燒產物和未燃燒的燃料。
文檔編號F23L7/00GK1492982SQ01823019
公開日2004年4月28日 申請日期2001年12月20日 優先權日2001年1月11日
發明者H·科巴亞施, L·E·波爾三世, H 科巴亞施, 波爾三世 申請人:普萊克斯技術有限公司