低NOx的粉碎固体燃料的燃烧方法及设备

低NOx的粉碎固体燃料的燃烧方法及设备

发明背景发明领域本发明涉及一种用于粉碎固体燃料燃烧的方法和设备，所述方法和设备能够在粉碎固体燃料燃烧系统中减少NOx排放以及改善燃烧性能，诸如提高火焰稳定性、改善调节能力等。更具体地说，本发明涉及一种用于粉煤(PC)燃烧的方法和设备，所述方法和设备能够在粉煤燃烧系统中减少NOx排放以及改善燃烧性能，诸如提高火焰稳定性、改善调节能力等。本发明适用于粉碎固体燃料的燃烧方法及设备，更具体地，本发明适用于粉煤的燃烧方法及设备，用于炉、锅炉和其他燃烧室。

现有技术的描述利用煤和其他固体燃料(诸如废木材和生物燃料)进行发电和其他应用会导致排放氮的氧化物(NOx)，氮的氧化物(NOx)主要是由于燃料中固有的氮的氧化以及存在于燃烧气体中的氮分子的氧化而产生的。释放到大气中的氮的氧化物(NOx)易于产生酸雨，加速导致烟雾产生的光化学反应，并导致地面臭氧浓度的增加。当在具有氮和氧的火焰区域中维持高温(高于2700°F)时也能产生氮的氧化物(NOx)。在这种条件下，氮分子分解并与氧分子重新结合形成热的NOx。

人们已知，通过分阶段或延迟某些燃烧气体与燃料的混合以使释放出来的氮的挥发物组合形成氮分子而不是NOx，可从粉煤火焰获得低的NOx排放。在通过分阶段的方法所产生的还原性气氛过程中，形成的NOx分子也可更容易地被还原成氮分子。通过从燃烧器中去除一些燃烧气体并在炉子的另一个位置将其引入可从燃烧器的外部完成分阶段的方法。

目前存在许多包括以减少NOx排放的方式的燃烧粉煤的用于粉煤燃烧的方法和设备的技术。Hura等人的美国专利5,908,003中披露了一种用于固体含碳物质燃烧的方法和设备，其中将固体含碳物质与燃烧气体的混合物喷射到燃烧室中并使之燃烧，从而形成燃料含量低的一次燃烧区，并且在一次燃烧区的下游将一种气态燃料喷射到燃烧室中，从而形成燃料含量低的二次燃烧区。Breen等人的美国专利5,724,897中披露了一种粉煤燃烧器，所述粉煤燃烧器包括燃料分离器，所述燃料分离器用于当通过具有多个部分开口区和多个封闭区的扩散器排出一次空气与煤的混合物时将混合物分离为多股流体。在通过了该扩散器后，将所述多股流体排到炉子中以便于燃烧。Vierstra等人的美国专利5,771,823中披露了一种利用多内管粉煤燃烧器减少NOx排放的方法和设备，其中利用一种内部的二阶段方法控制流入燃烧器中的二次空气量。第一阶段包括二次空气阻尼器和气流工位以调节流入燃烧器风箱中的空气量。隔板组件通过将一定量的空气转向到燃烧器周围而限制了流到燃烧器中心用于燃料燃烧的空气量。第二阶段包括形成于热的一次空气导管中的出口、与之相通的空气室以及在数量上与燃烧器相对应的多个插入(interjectory)空气端口，所述插入空气端口沿锅炉的前壁布置并与空气室相通。该插入空气端口以与各个燃烧器的燃烧器喷嘴方向成90°角的方式将插入空气喷射到锅炉的燃烧室中，提供使燃料完全燃烧所需的燃烧气体平衡。Sivy等人的美国专利5,829,369披露了一种粉煤燃烧器，所述粉煤燃烧器具有由过渡区域围绕的粉碎的燃料输送喷嘴，所述过渡区域用于防止中心的低氧燃料的去除挥发成份区域中出现二次燃烧气体涡流。该过渡区域起到一次和二次燃烧气体流之间的缓冲作用，以便于通过在一次和二次燃烧气体流之间提供受限的再循环区域而提高对空气燃烧器的混和和火焰稳定性的控制。受限的再循环区域将放出的NOx送回到低氧燃料的去除挥发成份区域以还原成氮分子。可将燃烧器设计成这样的形式，即，能够使矿物燃料的组合物燃烧，例如通过一次区域被输送的粉煤与通过过渡区域被喷射的少量天然气的组合物，其中天然气占燃烧器热输入的大约5-15％之间。Kobayashi等人的美国专利5,231937中披露了一种用于粉煤的燃烧器，所述燃烧器包括用于粉煤和一次燃烧气体的煤导管和二次燃烧气体导管，从而使煤和一次燃烧气体与二次燃烧气体在导管的出口喷嘴以及发生燃烧的混合区的外部混合。最后，Dernjatin等人的美国专利5,799,594披露了一种用于在切向燃烧锅炉中燃烧粉煤的方法和设备，其中燃料和一次空气的空气不足的混合物通过燃料供给管沿切线方向被引入到锅炉的炉子中，形成还原焰，并至少一股燃烧气流被喷射到炉子中。

尽管已经在粉煤燃烧领域进行了大量的改进以减少粉煤燃烧所产生的NOx排放，但是煤燃烧装置中的NOx排放还是有问题的。另外，通常存在这样的情况，即，用于减少以粉煤作为燃料的加热设备中的NOx排放的方法和设备会对燃烧方法中的其他因素产生不良影响，诸如火焰稳定性、调节能力、二氧化碳排放以及燃烧效率。

发明概述本发明的一个目的是提供一种用于粉煤燃烧的方法和设备，所述方法和设备与常规粉煤燃烧的方法和设备相比较，可减少NOx的排放。

本发明的另一个目的是提供一种用于粉煤燃烧的方法和设备，所述方法和设备与常规粉煤燃烧的方法和设备相比较，可减少所产生和排放的二氧化碳量。

本发明的另一个目的是提供一种用于粉煤燃烧的方法和设备，所述方法和设备与已知的粉煤燃烧的方法和设备相比较，能够改善燃烧性能，诸如改进的火焰稳定性以及提高调节能力。

本发明的这些和其他目的可由一种用于粉碎固体燃料的低NOx燃烧方法来实现，在该方法中，粉碎固体燃料和气态载体流体的混合物被引入到聚集(concentrating)容器中，在所述聚集容器中，每单位重量上的载体气体的粉碎固体燃料的浓度被提高。同时，使辅助燃料在富含燃料条件下燃烧并产生至少一股热燃烧产物流。通过与热燃烧产物混合使聚集的粉碎固体燃料被预热，从而使聚集的粉碎固体燃料的至少一部分被去除挥发成份并形成被去除挥发成份的粉碎固体燃料和去除挥发成份的产物。预热的粉碎固体燃料和去除挥发成份的产物在燃烧器中燃烧，所述燃烧器在燃烧室中直接点火，在燃烧室中形成一次燃烧区。依照本发明的一个具体优选实施例，粉碎固体燃料为煤。应该注意的是，由于并非所有的粉碎固体燃料在预热之前都需要聚集，因此聚集所述粉碎固体燃料的步骤是可选择性的。

利用本发明方法的用于粉碎固体燃料的低NOx燃烧的装置包括：部分氧化燃烧室，所述部分氧化燃烧室具有辅助燃料入口和部分氧化燃烧产物出口；以及至少一个混合室壁，所述混合室壁封闭混合室并形成至少一个与聚集的粉碎固体燃料源和所述部分氧化燃烧产物出口流体相通的混合室入口，并且具有粉碎固体燃料/燃烧产物混合物出口。所述装置还包括至少一个预加热器壁，所述预加热器壁封闭预热腔室并形成与所述粉碎固体燃料/燃烧产物混合物出口流体相通的预加热器入口，以及所述预加热器壁形成预热的粉碎固体燃料出口。还提供了包括粉碎固体燃料燃烧器和燃烧室的粉碎固体燃料燃烧室，其中所述粉碎固体燃料燃烧器包括与所述预热的粉碎固体燃料出口流体相通的燃烧器入口，其中预热的粉碎固体燃料通过该入口被引入到燃烧器中；与所述燃烧室流体相通的燃烧器出口；以及一次燃烧氧化剂入口。

如以下将详细描述的，本发明的方法和设备可以多种方式实施。然而，在这里没有具体描述但是却在本发明的权利要求书所限定的本发明保护范围之内的实施例也被认为是在本发明的保护范围内。另外，虽然下文中的详细描述中涉及的是，用煤作为粉碎固体燃料，但是应该清楚的是，本发明的方法和设备也可适用于其他固体燃料，诸如生物燃料和废木材，因此，应用于所述其他固体燃料上也被认为是在本发明的保护范围内。

附图的简要说明从以下结合附图所作的详细描述中，可更好地理解本发明的这些及其他的目的和特征，在附图中：图1是表示本发明所涉及的基本的低NOx的粉碎固体燃料的燃烧方法以及本发明所涉及的用于实现所述方法的设备的元件的示意图；图2是表示本发明设备的一个实施例所涉及的固体燃料聚集、混合及预加热设备的示意图；图3是表示本发明方法的一个实施例的示意图，所述方法采用固态/气态燃料分离器以将去除挥发成份的产物从预热的粉碎固体燃料中分离出来；图4是本发明一个实施例所涉及的利用过度燃烧气体的低NOx的粉碎固体燃料的燃烧方法的示意图；图5是本发明一个实施例所涉及的低NOx的粉碎固体燃料的燃烧系统的示意图；以及图6是表示本发明另一个实施例所涉及的基本的低NOx的粉碎固体燃料的燃烧方法以及用于实现所述方法的设备的元件的示意图。

优选实施例的详细描述如先前所阐述的，本发明所涉及的用于粉碎固体燃料的燃烧方法及设备适用于各种炉子、锅炉和其他燃烧室。对于术语“粉碎固体燃料”，是指一种具有颗粒尺寸的固体燃料，因此这些颗粒可被悬浮于载体流体(通常是空气)中，通过所述载体流体将颗粒输送到固体燃料燃烧器中。在使用粉煤的情况中，通常大约90％的颗粒可穿过200目的网筛，即颗粒尺寸小于75微米。在使用生物燃料的情况中，对于相当于粉煤的载体流体速度的载体流体速度来说，颗粒尺寸是这样的，即，大约90％的颗粒可穿过100目的网筛，即颗粒尺寸小于150微米。

参照图1，本发明一个实施例所涉及的粉煤的低NOx燃烧的方法包括：通过用于导入一种粉煤和气态载体流体的混合物的装置15将所述混合物引入到粉煤聚集容器中，粉煤的浓度在所述粉煤聚集容器中被增加。依照本发明的一个优选实施例，载体气流为空气。在重量上每一份气态载体流体中包括大于两份煤的聚集粉煤流通过聚集粉煤的出口16从粉煤聚集容器10中输出。在富含燃料条件下使辅助燃料在部分氧化燃烧室11中燃烧，部分氧化燃烧室11具有辅助燃料入口17和部分氧化燃烧产物出口18。依照本发明的一个优选实施例，辅助燃料为天然气，该天然气能够以在从约0.70到0.95的范围内的空气-燃料化学计量比在空气中燃烧。辅助燃料的燃烧所产生的至少一股热燃烧产物流通过部分氧化燃烧产物出口18从部分氧化燃烧室11中输出，并与通过聚集粉煤出口16从粉煤聚集容器10和混合器12中输出的聚集粉煤相混合。通过粉煤/燃烧产物混合物出口19将聚集的粉煤和热燃烧气体的混合物输出，并通过预加热器入口22将其引入到粉煤预加热器13中，所述预加热器入口22与粉煤/燃烧产物混合物出口19流体相通，利用来自于部分氧化燃烧室11中的热燃烧产物的热传导，使聚集粉煤在所述粉煤预加热器13中被预热到约1200°到1600°F范围内的温度。依照本发明一个具体优选实施例，在该方法中的这一点上，气态氛围包含体积上低于百分之一的氧气。由于聚集粉煤的至少一部分被去除挥发成份，因此粉煤预加热器13中的聚集粉煤的预加热能够释放可燃烧气体和液体。然后预加热的粉煤和粉煤去除挥发成份的产物在粉煤燃烧室14中燃烧，所述粉煤燃烧室14包括封闭耦合(closed-coupled)的低NOx燃烧器，所述封闭耦合(closed-coupled)的低NOx燃烧器在燃烧室中直接点火。粉煤燃烧室14中的一次空气最好在完全燃烧所需的总燃烧气体的体积的约20％到30％的范围内，二次燃烧气体最好在总燃烧气体体积的约35％到45％的范围内，三次或过度燃烧气体最好在总燃烧气体的体积的约30％到40％的范围内。图6中示出了本发明一个可选择的实施例所涉及的粉煤低NOx燃烧的方法，其中粉煤被直接供给到混合器12中。

图2中示出了本发明一个实施例所涉及的设备的一种设计形式，所述设备包括聚集器10、部分氧化燃烧室11、混合器12和粉煤预加热器13。本发明一个具体优选实施例所涉及的混合器为文氏管20并且用于将来自于粉煤聚集容器10中的聚集粉煤导入到来自于部分氧化燃烧室11中的热气态产物流中。依照图2中所示的实施例，该设备最好包括气旋式粉煤预加热器21，在所述气旋式粉煤预加热器21中，在粉煤的颗粒加热速率为每秒10,000°F到30,000°F的情况下，粉煤滞留时间大约在0.025秒到0.075秒范围内。在图3中示出了本发明方法和设备的一个可选择的实施例，其中用固态/气态燃料分离器25将预热的粉煤从气态去除挥发成份的产物中分离出来。如线24和23所表示的，分离的预热粉煤和气态去除挥发成份的产物被分别引入到粉煤燃烧室14中。

图4中示出了本发明方法和设备的另一个实施例。依照该实施例，煤在粉碎机30中被粉碎并与作为载体流体的一次空气混合，并且被引入到粉煤聚集容器10中。聚集粉煤被引入到包括部分氧化燃烧室11、混合器12和粉煤预加热器13的整体式混合器/预加热器中。来自于该整体设备的输出物被输送到粉煤燃烧器35中，预加热的聚集粉煤在所述粉煤燃烧器35中燃烧。预加热的聚集粉煤的燃烧在燃烧室34中形成了一次燃烧区41。依照图4中所示的实施例，过度燃烧气体通过过度燃烧注射器36被引入到燃烧室34中，从而形成了在一次燃烧区41下游的停止燃烧区40，在停止燃烧区40中，燃烧产物中残留的一氧化碳被氧化成为二氧化碳。

图5中所示的是本发明的方法和设备的另一个实施例，其中粉煤聚集容器10从粉煤/气流中去除足够多的空气以将粉煤与空气的重量比增加到99比1以上。在这种情况中，用常规粉煤送料器45将粉煤输送到混合器12。辅助燃料在部分氧化燃烧室11中燃烧以产生燃烧产物，利用热交换器42使所述燃烧产物被冷却，然后使所述冷却的燃烧产物在混合器12中与粉煤混合。粉煤被冷却的燃烧产物所夹带并且被输送到粉煤预加热器13中，粉煤被来自于二次燃料燃烧器43的热废气加热。

虽然在以上的详细描述中已经结合了本发明的某些优选实施例对本发明进行了说明，并且为了便于说明还描述了许多细节，但是本领域普通技术人员应该清楚的是，本发明还包括其他实施例，并且可在不脱离本发明基本原理的基础上对文中所描述的某些细节进行多种变型。