对流段燃烧的制作方法

专利名称：对流段燃烧的制作方法
技术领域：
本公开涉及燃烧系统。特别地，本公开涉及构造成在该燃烧系统的对流段中燃烧固体燃料的燃烧系统。
背景技术：
在已知系统中，气体和/或油已用于在炉下游再燃燃烧流体以控制NOx排放。气体和/ 或油的供给不可靠(尤其是在冬季)，成本极大变化；它们在燃烧双燃料(dual fuels)时具有问题；且它们由于氢含量而降低系统效率，由此增加燃烧流体的水蒸汽。燃烧流体的这种再燃已用于降低由燃烧空气中的氮的反应(热NOx)和化学键合在煤中的氮的氧化(燃料 NOx)产生的NOx排放。在NOjJ^放的减少中，已知系统提供细碎的微粉化煤粒以供再燃。已知系统包括炉 (或辐射段)和对流段。这些系统着眼于减少该系统产生的NOx排放并因此尚未充分用于系统对流段中的有效传热(至少部分)。氧/燃料系统产生高燃烧温度，要求分配热释放以确保高的过热温度和高效率。 已知系统使用再循环烟道气(RFG)将热从炉传送到对流段。使用RRi分配热提高烟道气处理系统的复杂性、对流段的尺寸和/或锅炉的尺寸。因此其提高该系统的总资本和运行成本。由于氧/燃料系统具有比空气/燃料系统低的质量流量(由于除去N2)和因此较高热释放和温度，最好除去更大百分比的氧/燃料系统的炉中生成的可供至对流段的热，由此在控制炉中的温度和热释放的同时实现对流段中的受控温度
因此，仍然需要提供用于再燃除油和/或气体以外的燃料以控制该系统内的热释放和温度，和/或在尽可能少使用TOR的同时承受对流段中提高的热的方法、系统和装置。发明概述
根据一个实施方案，氧/燃料燃烧系统包括经安排和布置以接收和燃烧第一燃料以形成燃烧流体的炉，该第一燃料由第一固体燃料源提供；具有入口装置的对流段，该对流段经安排以从炉接收燃烧流体和经布置以接收第二流体，该第二流体由第二燃料转化，该第二燃料是固体燃料；和经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传送到热交换介质的在该对流段中的一个或多个热交换器。根据另一实施方案，氧/燃料燃烧方法包括提供炉和对流段，该炉与该对流段流体连通，由第一固体燃料源提供第一燃料，在炉中接收该第一燃料，在炉中燃烧该第一燃料，由此产生燃烧流体，在该对流段中接收该燃烧流体，将第二燃料转化成第二流体，该第二燃料是固体燃料，在对流段中接收该第二流体，和将来自该燃烧流体的热传送到热交换介质。本公开能够利用在燃烧系统的该对流段中的能量，由此能将热传送到热交换流体并提高该流体的热函。本公开的另一优点在于不仅在炉段中，还在燃烧系统的对流段中燃烧燃料。本公开的再一优点是在燃烧系统中使用合成空气(与A混合的CO2)和/或基本纯 O2燃烧燃料，同时将RFG的使用减至最少。本公开的又一优点是能使用单燃料源在炉中作为一次燃料和在对流段中作为二次燃料。本公开的又一优点是对流段中提高的传热表面温度控制。本公开的又一优点是对流段中提高的传热流体温度控制(例如过热蒸汽温度)。本文中公开了该方法和系统的其它方面。本领域技术人员根据下列详述和附图将会认识和理解如上论述的特征以及本公开的其它特征和优点。附图简述


图1显示本公开的燃烧系统的一个示例性实施方案的示意图。图2显示本公开的燃烧系统的另一示例性实施方案的示意图。图3显示本公开的燃烧系统的又一示例性实施方案的示意图。图4显示本公开的燃烧系统的又一示例性实施方案的示意图。图5显示本公开的燃烧系统的另一示例性实施方案的示意图。只要可能，在所有附图中使用相同标号代表相同部件。发明详述
下面参照附图更充分描述本公开，其中显示了本公开的优选实施方案。但是，本公开可以具体体现为许多不同的形式且不应被解释为仅限于本文中阐明的实施方案；相反，提供这些实施方案以使本公开详尽完整并向本领域技术人员充分传达本公开的范围。本公开涉及通过在炉104和对流段106中都燃烧燃料来提高热生成和平衡在燃烧系统102内的热生成的分布。该燃烧特别适用于燃烧以产生燃烧流体118的固体燃料。
本文所用的术语“固体燃料”及其语法变体是指适合燃烧用途的任何固体燃料。例如，本公开可用于许多类型的含碳固体燃料，包括但不限于无烟煤、烟煤、次烟煤和褐煤； 焦油；浙青；石油焦；造纸厂污泥固体物和下水道污泥固体物；木材；泥炭；草；和所有这些燃料的组合和混合物。本文所用的术语“氧气”及其语法变体是指A浓度大于大气或环境条件的氧化剂。本文所用的术语“氧/煤燃烧”及其语法变体是指在氧气中的煤燃烧，术语 “空气/煤燃烧”及其语法变体是指在空气中的煤燃烧，术语“氧/燃料燃烧”及其语法变体是指在氧气中的燃料燃烧，和术语“空气/燃料燃烧”及其语法变体是指在空气中的燃料燃烧。本文所用的术语“燃烧流体”及其语法变体是指由燃烧产物形成和/或与燃烧产物混合的流体，其可用于对流传热。该术语不限于燃烧产物并可包括与至少一部分燃烧系统混合或以其它方式行经至少一部分燃烧系统的流体。尽管不限于此，但一个这样的实例是烟道气。本文所用的术语“再循环的烟道气”及其语法变体是指再循环到该系统任何部分的离开该系统的燃烧流体。本文所用的术语“烟道气再循环”及其语法变体是指允许燃烧流体再循环的构造。尽管各种实施方案显示在特定位置的火焰，但要认识到，在发生燃烧的任何位置，火焰可能存在，但不一定必须存在。图1显示本公开的一个示例性实施方案。在图1中，燃烧系统102包括经安排和布置以接收第一燃料110以形成燃烧流体118的炉104、在炉段104下游的经安排和布置以从炉104中接收燃烧流体118和经安排和布置以接收第二流体105的对流段106，和一个或多个热交换器120经安排和布置以将来自燃烧流体121的热传送到热交换介质(未显示)。如图1中所示，一些实施方案进一步包括配置成将固体燃料转化成可以在对流段 106中燃烧的形式的固体燃料转化装置。在另一些实施方案中，固体燃料转化装置配置成燃烧(或部分燃烧)固体燃料以产生第二流体105，将其传送至对流段106。本公开中所用的术语固体燃料转化装置是指化学或物理影响燃料的系统。例如，燃料的氧化或还原是化学转化，且燃料的气化是物理转化。这些转化可以在固体燃料转化装置中进行。如所示，炉104与对流段106流体连通。在此实施方案中，炉104经安排和布置以在邻近总燃烧区116的风箱114处接收第一燃料110。炉104配置成燃烧第一燃料110，由此产生燃烧流体118，将其送入燃烧系统102的对流段106。会认识到，在其它部件中，风箱 114和总燃烧区116仅是示例性的并可以用其它炉部件或其它混合装置重新装配或替代。图1描绘作为燃烧系统102的一部分的对流段106。但是，可以使用相同燃烧系统或分开的燃烧系统的多于一个炉104和/或对流段106。此外，炉104和/或对流段106 可以与其它类型的系统流体连通。在燃烧流体路径118、121和/或122中可以按需要包括对流段以改进燃烧系统102的效率。但是，在另一些实施方案中，对流段106可以是连向另一燃烧系统的对流段、炉104和对流段106之间的一部分或对流段后的一部分。如图1中所示，对流段106中的三个入口装置112经安排和布置以从氧气源108接收氧气107。在一个实施方案中，安排和布置入口装置112以通过包含燃烧室来燃烧。氧气107可以(例如在入口装置112前的混合室中，在固体燃料转化装置中或在对流段106中)与在入口装置112 中供应给对流段106的第二流体105混合。会认识到，可以使用空气或其它流体作为载流以将第二流体105传送至第二流体105可以与氧气107混合的位置。对流段106中只需要一个入口装置112，但考虑了附加的入口装置112和/或附加的热交换器120。如图1中所示，对流段106包括多个热交换器120。会认识到，对流段106可包括
6更少或更多的热交换器120。热交换器120可包括任何数量的一级过热器、任何数量的二级过热器、任何数量的再热器、任何数量的省热器或其组合。如图1中所示，一个热交换器 120是二级过热器(在一级过热器上游)且另一热交换器120是一级过热器(在二级过热器下游)。可以包括附加热交换器120(未显示在图1中)。其它热交换器120可以是省热器、 再热器或附加过热器。参照图1，该固体燃料转化装置是流化床113。在另一些实施方案(如下所述)中，固体燃料转化装置可以是外部反应室213(见图2)、微粉化粉碎机(micronizing pulverizer) 313 (见图3)、燃烧室、燃烧器(burner)、其它类似装置或其组合。如图1中所示，来自固体燃料源109的第一燃料110在初碎机115中压碎后送入流化床113。在图1、2和3所示的实施方案中，传送的第一燃料UO和/或其它流体可通过本领域技术人员会认识到的任何方法传送。例如，固体燃料可以由载气、机械系统和/或气动系统传送。在离开初碎机115 后，第一燃料110 (已压碎)优选具有环境温度或大约80° F (大约27°C)。在图1所示的实施方案中，流化床113实施第一燃料110 (已压碎)的至少部分脱挥发分，由此形成挥发的第二流体105。如图1中所示，第一燃料110的所述至少部分脱挥发分依赖于从第一热交换器120和两个入口装置112下游以及第二热交换器120和另一入口装置112上游送入的热燃烧流体121。会认识到，可能包括热流体(不一定是热燃烧流体)的其它来源和位于其它区域的入口装置。再参照图1，热燃烧流体121用于制造流体105，相对低热值的气态燃料。在此实施方案中，热燃烧流体121在流化床113中与第一燃料110在环境条件下以1:1质量比混合以实现大约1000° F (大约538°C)的最终温度之前，可以为大约1675° F (大约913°C)。 在通过流化床113转化第一燃料110后，第一燃料110 (—部分)挥发形成第二流体105并送入入口装置112。其余部分的第一燃料110包括部分脱挥发分的固体燃料，将其送入炉 104。在另一些实施方案中，通过转化第二燃料(其不是与第一燃料110相同的燃料)来产生第二流体105。该第二燃料由第二燃料源提供。如图1中所示，在一个实施方案中，部分脱挥发分的第一燃料110在送入炉104之前可以送入粉碎机124。但是，在另一些实施方案中，可能省略粉碎机124。在图1所示的实施方案中，通过从燃烧系统102末端送入的燃烧流体122冷却离开流化床113的部分脱挥发分的第一燃料110。燃烧流体122可具有较低温度，也可用作运载流体以将部分脱挥发分的第一燃料110传送至炉104。会认识到，燃烧流体122也可以从燃烧系统102中排出和 /或收集。图2显示本公开的另一示例性实施方案。如图2中所公开的燃烧系统102类似于如图1中所公开的燃烧系统102，主要例外是其包括外部反应室213作为固体燃料转化装置。外部反应室213可用于部分燃料氧化(例如，借助气化器)或用于完全燃料氧化。在一个实施方案中，该固体燃料转化装置可以是造渣气化器，例如，造渣旋风器。选择气化器的类型以提供实现相对较长的固体粒子停留时间和承受高气体温度的能力，由此促进第一燃料110的有效气化和/或燃烧以及最低限度的残炭。如图2中所示，外部反应室213可通过部分氧化将煤从固体转化成气体燃料203。 使用外部反应室213可造成比使用流化床113高的热值并可能不需要燃烧流体118将气体燃料203传送至入口装置112。本文所用的术语热值是指在燃烧特定体积或质量时释放的热。例如，天然气具有大约1000 BTU/scf (标准立方英尺)的热值，而CO和吐略大于300 BTU/scf。通常，较高热值的燃烧较容易燃烧并提供更多热。例外是H2，其具有低热值但相当容易燃烧。如图2中所示，不基于所用第一燃料110的挥发性限制对流段106中可供的热。此外，气体燃料203的较高热值可造成对流段106中的更稳定燃烧。在一个实施方案中，包括气化器并提供化学来源(即部分燃烧的燃料，如CO等)和热源(在环境温度以上)形式的能量源。在一些情况下，在注入对流段106之前从反应流中抽取热是有价值的。 从反应室213或输送管道中抽取热可集成到总蒸汽循环中。在此实施方案中，为了更高效率，入口装置112是注入氧气以利于更有效燃烧的燃烧器。在该所示实施方案中，将离开对流段106的燃烧流体122送入外部反应室213以在传输之前调节气体温度203。在该所示实施方案中，可以在炉104中进行类似操作，可以在反应室中分离炉渣201并捕集。图3显示本公开的另一示例性实施方案。如图3中所公开的燃烧系统102类似于如图1中所公开的燃烧系统102，主要例外是其包括微粉化粉碎机313作为固体燃料转化装置。向所示微粉化粉碎机313中加入来自初碎机111的第一燃料110。在图3中所示的实施方案中，初碎机111经安排和布置以分离第一燃料110。通常，基于第一燃料110的粒度分离第一燃料110。会认识到，各种技术可用于分离第一燃料110。在图3所示的实施方案中，将低于预定粒度的第一燃料110送入微粉化粉碎机313。将其余第一燃料110送入炉104。在另一些实施方案中，可以以本领域技术人员理解的其它方式分离第一燃料110。 在图3所示的实施方案中，微粉化粉碎机313经安排和布置以进一步粉碎第一燃料110以使离开微粉化粉碎机313的大约80%至100%的第一燃料110(微粉化固体燃料或第二流体 301)的尺寸小于大约45微米。具体而言，图3中所示的实施方案使得80%至100%的第二流体301小于44微米。第二流体301相对容易燃烧并可用在对流段106中。如图3中所示，将第二流体301送入入口装置112并燃烧。图4显示本公开的一个示例性实施方案。如图4中所示，入口装置112在对流段 106中；但是，对流段106包括容纳入口装置112的穴(recess) 111。如图4中所示，入口装置112位于沿对流段106的边缘排列的形成凹穴111的室内。如图4中所示，在对流段106 中邻近入口装置112的位置引入第二流体105 (但可以是第二流体203或第二流体301)。 在此位置，将第二流体105和氧气107注入该室以实现稳定燃烧。在另一些实施方案中，氧气107可以是第二流体105的一部分而非独立地供应到该室中。在又一些实施方案中，为使来自入口装置112的最高火焰温度最小化，可以使用氧气107和第二流体105分级。分级是指在几个位置而非一次性混合燃料或氧化剂。这具有降低最高火焰温度的作用。在这些实施方案中，氧气107可以在室111中、在室111之前或分级与第二流体105混合以使一部分氧气107与对流段106混合。此外，注入的第二流体105基本被氧气107和/或烟道气再循环流包围以提供热辐射缓冲以保护对流段106中的热交换器120。可控提供这种注入以更好应对对流段106 中的条件变化。作为进一步保护，在入口装置112附近的紧邻地围绕住(bounding)对流燃烧区(即对流段106中的燃烧区)的区域可包括受热器(heat sink)，如水冷管501(见图5)、 再循环烟道气或可应对高热通量和保护对流段106的热交换器120免受强火焰辐射的耐火材料(见图5)。或者，可通过在注入系统102之前燃烧第二流体105和随后注入热燃烧产物来实现注热(见图2)。在另一些实施方案中，如图5中所示，该系统可控地改变进入一个或所有入口装置112的流速以改进效率，或可控地改变水管中流体的流速以更好保护热交换器。例如，可以包括阀503和控制系统505以改变任何流体，例如氧气、烟道气、与氧气混合的烟道气和/或燃料的流量。此外，在系统102中可以包括且控制系统可以使用监测物理条件的传感器，如监测温度的热电偶。图4显示临进入对流段106之前发生的这种燃烧，但该燃烧也可以进一步远离对流段进行，甚至可以如图2中所示在中心位置发生。图4中所示的布置可保护入口装置112 免受可能腐蚀性、侵蚀性和/或氧化性的燃烧流体的影响。另外，可以冷却凹穴111以使入口装置112保持在所需温度，其可能低于对流段106的温度。类似于上述特征，可以控制这些特征以改进效率。图5显示以与图1至3的构造类似的方式构造的燃烧系统102 ；但是，在图5中， 燃烧系统102包括围住与入口装置112对应的对流燃烧区的水冷管501。如图5中所示，水冷管501经安排和布置以将由第二流体和氧气107的混合物的燃烧产生的热传送到热交换介质(未显示)。该热交换介质可以是例如水。在图1至5所示的实施方案中，入口装置112的位置是示例性的并可根据蒸汽循环的不同部分所需的热负荷改变。在与入口装置112对应的对流燃烧区周围安排水冷管501或从固体燃料转化装置中抽取热也可改变燃烧系统102内的热分布。从炉104传递的热负荷可以降低如下量水冷管501传递的负荷量和从燃料转化装置传递的热。提高一个或多个入口装置112中的流量和/或降低一个或多个入口装置112中的流量使一部分燃烧负荷从炉104转移到对流段106。这种转移可改变燃烧系统102的热和材料平衡。在另一些实施方案中，可以合并图1至5所示的入口装置112的位置和布置以提高效率。例如，一个入口装置112可以是凹穴的(类似于图4所示的实施方案)，同时另一入口装置112可在附近具有水冷管501 (类似于图5所示的实施方案)和/或同时可设置不凹穴且在附近没有水冷管501的另一入口装置112 (类似于图1至3所示的实施方案)。 另外，可以包括更少或更多的入口装置112。会认识到，为使效率最大化，可以进行在燃烧系统102上的多个试验和/或燃烧系统102的建模，由此提供具有改进的效率的设计参数。 此类设计参数可涉及这些的其它组合。
实施例在图1至5所示的实施方案中，显示三个入口装置。这些入口装置的位置代表对流段内的不同可能的位置。入口装置的布置取决于蒸汽循环的不同部分所需的热负荷。使用表1中所述的煤进行热和材料平衡以测定入口装置不同位置的可能的燃烧率分布 (split)。表1详述实施例中所用的典型高挥发性烟煤的分析。表1 煤分析
权利要求
1.氧/燃料燃烧系统，该系统包含炉，其经安排和布置以接收和用氧气燃烧第一燃料以形成燃烧流体，该第一燃料由第一固体燃料源提供；具有入口装置的对流段，该对流段经安排以从该炉接收该燃烧流体和经布置以接收第二流体，该第二流体由第二燃料转化，该第二燃料是固体燃料；和在该对流段中的一个或多个热交换器，其经安排和布置以将来自该燃烧流体的热传送到热交换介质。
2.权利要求1的系统，其中该入口装置经安排和布置以接收氧气。
3.权利要求1的系统，其中该入口装置从该对流段中凹进。
4.权利要求1的系统，进一步包含选自流化床、气化器、燃烧室、附加燃烧器、微粉化粉碎机及其组合的固体燃料转化装置，其中该固体燃料转化装置经安排和布置以将该第二固体燃料转化成至少一部分的第二流体。
5.权利要求1的系统，其中该第一燃料包括煤。
6.权利要求1的系统，其中该第二流体包括微粉煤。
7.权利要求1的系统，其中该第二流体包括挥发燃料。
8.权利要求5的系统，其中通过将第二燃料与再循环烟道气混合来产生挥发燃料。
9.权利要求1的系统，其中该转化装置是经安排和布置用于氧气氧化该第二燃料的气 4^ 1 ο
10.权利要求9的系统，其中该气化器是造渣气化器。
11.权利要求1的系统，其中该转化装置是燃烧室。
12.权利要求1的系统，其中该第一燃料是固体燃料。
13.权利要求1的系统，其中该第一固体燃料源经安排和布置以提供第二固体燃料源。
14.权利要求1的系统，进一步包含选自流化床、气化器、燃烧室、附加燃烧器、微粉化粉碎机及其组合的转化装置，该转化装置与该第一固体燃料源连通，由此在该第一燃料被该炉接收之前转化该第一燃料。
15.权利要求1的系统，进一步包含围绕与该入口装置对应的对流燃烧区的水冷管，其中该水冷管提供传热，保护一个或多个该热交换器中的至少一个。
16.权利要求1的系统，进一步包含经安排和布置以改变该第二流体的流速的控制系统。
17.氧/燃料燃烧方法，包括提供炉和对流段，该炉与该对流段流体连通；提供来自第一固体燃料源的第一燃料；在炉中接收该第一燃料；在炉中燃烧该第一燃料，由此产生燃烧流体；在该对流段中接收该燃烧流体；将第二燃料转化成第二流体，该第二燃料是固体燃料；在对流段中接收该第二流体；和将来自该燃烧流体的热传送到热交换介质。
18.权利要求17的方法，进一步包括通过流化床将该第二燃料转化成该第二流体。
19.权利要求17的方法，进一步包括通过气化器将该第二燃料转化成该第二流体。
20.权利要求17的方法，进一步包括通过燃烧室将该第二燃料转化成该第二流体。
21.权利要求17的方法，进一步包括通过附加燃烧器将该第二燃料转化成该第二流体。
22.权利要求17的方法，进一步包括通过微粉化粉碎机将该第二燃料转化成该第二流体。
23.权利要求1的系统，进一步包括通过控制系统控制该第二流体的流速。
全文摘要
氧/煤燃烧系统和方法包括经安排和布置以接收和燃烧第一固体燃料以形成燃烧流体的炉；具有一个或多个入口装置的对流段，该对流段经安排以接收和在氧气存在下燃烧第二燃料；和经安排和布置以与该燃烧流体交换热的一个或多个热交换器。
文档编号F23C6/04GK102317689SQ200980137766
公开日2012年1月11日 申请日期2009年9月25日 优先权日2008年9月26日
发明者G. 斯拉夫科夫 A., W. 克卢斯特曼 J., B. 福加什 K., D. 达戈斯蒂尼 M., J. 亨德肖特 R. 申请人:气体产品与化学公司