专利名称：用于优化流化床锅炉中的燃烧条件的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于优化流化床锅炉中的燃烧条件的方法，其中含氧燃烧气体在两个以上的高度水平处供给，第一高度水平是位于炉底部的高度处的一次水平，第二高度水平是靠近燃料供给高度定位的二次水平，在该二次水平上方仍然能存在其它燃烧气体供给水平。本发明还涉及一种用于实现等同方法的装置。
背景技术：
对于气候变化的关注导致寻找新的手段来降低能量生产中引起全球变暖的二氧化碳排放。提出减小温室气体排放的一种手段是氧燃料燃烧。当燃料以传统方式借助空气燃烧时，烟道气体含有大量来自空气的氮。从该烟道气体中回收二氧化碳既昂贵又有技术困难。当用纯氧气和循环烟道气体的混合物代替燃烧中使用的燃烧空气时，由燃烧产生的烟道气体主要含有二氧化碳、氧气、水蒸气和一些杂质。氧燃料燃烧能够相对简单地回收二氧化碳。在已经通过冷凝从烟道气体除去与燃料一起运送或者在燃烧反应中生成的水之后，可通过冷却和压缩来液化剩余的二氧化碳。氧燃料燃烧可用于粉状燃料燃烧和流化床燃烧。在流化床燃烧中，在通过从下方吹送的气体流而流化并循环的固体悬浮物中发生燃烧。流化床包括颗粒状的流化材料(例如砂)、燃料、燃烧气体、以及在燃烧中产生的烟道气体和灰。在本文中，燃烧气体指的是一次和二次气体，通常是空气或一些其它含氧气体混合物。一次气体流在炉的底部供应，二次气体流通过在炉平面上方的炉壁上的喷嘴引导至炉。在鼓泡流化床锅炉(BFB)中，流化材料留在流化空间中，而在循环流化床锅炉(CFB) 中，流化材料与烟道气体一起离开流化空间运送，并且为了提供稳定状态，流化材料经由分离和循环设备回到炉中。流化床锅炉利用与粉状燃料燃烧相比较低的燃烧温度(700-900°C )，低燃烧温度与分段空气供应一起能够产生低氮氧化物排放。氮氧化物(NOx)指的是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2),它们在流化床燃烧中主要从燃料含有的氮生成。分段的空气供应在床的下部中提供了还原条件，由此生成较少的氮氧化物。完全燃烧所需的空气的其余部分作为二次空气和可能的三次空气供应。流化床燃烧技术还通过将石灰石或白云石直接供应给炉而能够从锅炉中已有的烟道气体脱硫。US 4704084和US 4962711的说明书描述了现有技术的循环流化床锅炉的示例，其旨在通过分段供给燃烧空气而减少NOx排放。燃料在一次水平上方靠近二次水平而供给到炉中。不同类型的燃料在炉中以不同方式散布。轻的燃料组分，例如细泥炭或纸片和塑料片，容易从它们的供给点向上成块上升而不特别好地侧向散布。这在循环流化床燃烧中要特别强调，其中流化速度高于燃料颗粒的速度，由此燃料与流化气体一起被向上吹扫。二次空气的水平均勻供给适于良好散布的燃料，例如炭或湿木材。对于轻组分，CO柱从燃料供给点向上升并且在燃料供给点之间形成富氧段。因为该现象不能用现有技术调节，所以当燃料质量改变时，上部燃烧空间的气体和温度分布不可控地变化。这是不利的，例如在控制温度分布和排放(尤其是NOx排放)时，
4其中重要的是在烟道气体中留下合适的CO水平，使得NO在燃烧空间中还原并且获得较低的氮氧化物排放。US 5660125的说明书描述了一种用于使循环流化床锅炉中氮氧化物的形成最小化的方法，在该方法中，二次空气的供给在竖直和水平方向上都分段。在二次喷嘴中供应燃烧空气的每个流动通道设有节气门，通过节气门可以控制经由所关注喷嘴向炉供给燃烧空气。目标是将燃烧化学当量局部保持在70-90%的范围内，由此NOx形成最少。该装置的问题尤其是当增加或减少二次空气的供给时，空气在流化床中的渗透也改变。在氧燃料燃烧中，用氧气和循环烟道气体的混合物代替燃烧空气。如果该处理以空气燃烧中常见的标准氧气浓度运行，那么减小一次气体的量以提供还原区就减少了流化材料的内部和外部循环，从而对炉壁和可能的外部换热器的热传递也减弱。另外，流化床的温度可能升得太高，导致固体颗粒烧结。一次气体通常经由风箱供应至炉的下部。风箱能分成两个以上的块来减少床的脉动。然而，每个块供给有相同的燃烧气体，燃烧气体在常规空气燃烧中是空气，在氧燃料燃烧中是氧气和循环烟道气体的混合物。可以通过减少一次气体的氧含量而旨在改进氧燃料燃烧中氮氧化物的还原。因而在二次气体喷嘴下方产生还原条件，这样增强了与一次气体一起的氮氧化物还原为氮。该装置的一个问题在于，当减少氧气供给时，床的温度可能降得太低。如果同样升高二次气体的氧含量来提供完全燃烧，那么在二次水平处产生温度峰值，这对于排放不利并且促进了结块形成。
发明内容
本发明的一个目的在于避免上述问题。总体目的在于在流化床锅炉中增强燃烧条件的控制以及氮氧化物的还原。为了实现这些目的，根据本发明的方法的特征在于权利要求1的特征部分中所述的内容。同样，根据本发明的装置的特征在于权利要求5的特征部分中所述的内容。在根据本发明的方法中，在炉的水平方向上炉的不同点处的至少一个燃烧气体供给水平被供给有具有不同氧含量的燃烧气体，使得在炉的水平方向上能形成具有不同氧含量的区域。在本发明的一个实施例中，一次水平在水平方向上分成两个以上的区域，并且被引导到至少一个这些区域的燃烧气体的氧含量与被引导到至少一个相邻区域的燃烧气体的氧含量不同。这例如通过以下实现将供给燃烧气体的风箱分成两个以上的块，并且向至少一个块供应的燃烧气体的氧含量与被供应至相邻块的燃烧气体的氧含量不同，由此能够在炉底部形成至少一个氧化区和至少一个还原区。在本发明的另一实施例中，二次水平和/或其上方的一个水平在水平方向上被分成两个以上的区域，并且被引导到至少一个这些区域的燃烧气体的氧含量与被引导到至少一个相邻区域的燃烧气体的氧含量不同。有利地，燃料供给高度包括若干个燃料供给点，在每个燃料供给点下方和/或上方形成一区域，在该区域中向至少一个燃烧气体供给水平供给的燃烧气体的氧含量与在相同供给水平处距燃料供给点较远的区域的燃烧气体的氧含量不同。
通过调节被供给至不同块/室的一次气体的氧含量，尤其可以影响炉的温度和氮氧化物的还原。每个块的氧含量和流化速度能够独立调节或者与一些其它块一起调节。燃烧气体供给不同的块/室能够在炉的纵向上或横向上交替。可选地，可以在一次水平处在燃料供给点下方布置供给室，经由该供给室向炉供给的一次气体的氧含量与在炉的边缘上和/或供给点之间供给的一次气体的氧含量不同。通过调节风箱中不同块的氧含量，可以在二次水平下方的部分中产生对于NOx和 S还原有利的条件。因而，由还原区提供了良好的氮氧化物还原，由氧化区提供了足够的温度。氧化区使得硫还原不会减弱。风箱中块的氧含量的调节是在调节炉的温度分布中的新的附加参数。由于在炉中发生的增强的S和NOx还原，对于使用二次烟道气体的净化方法的要求比之前要弱。因而，二氧化碳的净化和液化更加节省成本。当二次水平和/或三次水平的气体喷嘴分成至少两组并且每组被供应具有不同氧含量的燃烧气体时，可以在水平方向上局部控制燃烧气体的供给量和氧含量。通常，优化气体流需要靠近燃料供给点，以散布和混合燃料，从而提供均勻燃烧。当该气体流的氧含量可单独调节时，比之前要更容易控制各种燃料的燃烧条件和温度。流化速度可保持恒定，或者在一次气体和二次气体的氧含量在宽范围内可单独调节时可独立调节。当减少一次气体的氧含量时，氧气在二次气体中的比例可等同地增加，从而提供期望的总氧含量。可以在若干不同的高度水平处供应二次气体，并且能在不同水平处使用不同的氧含量，从而使从还原区运送的未燃材料不会在二次水平处产生大的温度峰值。因而，可以防止在二次水平处形成容易导致产生氮氧化物的热含氧段。本发明基于用于循环流化床锅炉中氮氧化物的还原的运行模式提供了容易的方法。通过改变一次气体和二次气体的氧含量，可以调节炉的温度，这尤其对于硫还原是重要的。与氧燃料燃烧相关重要的是，氮氧化物的有效还原降低了在烟道气体加压中NOx 与水和氧气反应从而产生腐蚀性硝酸的风险，腐蚀性硝酸会在二氧化碳的清洁和加压设备中产生问题。通过本发明，能够在以不同燃料操作时更好地控制工艺。除了降低NOx排放以外， 本发明的优点是减少了旋风分离器中的后燃烧风险。
现在参照附图描述本发明，本发明绝不旨在狭窄地限于附图。图1示意性示出了循环流化床锅炉的操作、以及燃烧气体至炉中的供给。图2示出了一次气体的分区供给。图3示意性示出了炉的前部的侧视图以及燃烧气体的供给水平。图4示出了炉的前部的正视图以及燃烧气体的供给水平。图5示出了在一次水平P的点处截得的炉的前部的俯视图。图6示出了在二次水平S的点处截得的炉的前部的俯视图。图7示出了在三次水平T的点处截得的炉的前部的俯视图。
具体实施例方式图1中示出的循环流化床锅炉10包括炉11，在其中燃料在循环流化床中燃烧； 旋风分离器12，在其中流化材料与烟道气体分离；以及返回通道13，流化材料经由其循环回到炉11。燃料14供应到炉11，呈一次气体流15和二次气体流16形式的含氧流化燃烧气体也供应到炉11。燃烧在流化床中发生，流化床通过从下方供应的一次气体流15流化并循环。流化床包括固体惰性床料(通常为砂)、供给至其中的燃料、燃料灰、可能的石灰石、燃烧气体、以及燃烧中产生的烟道气体。气体流15、16设置成很大，使得一部分流化材料与烟道气体一起从炉11的上部离开至旋风分离器12。旋风分离器12将固体颗粒与烟道气体分离，固体颗粒经由返回通道13和可能与其连接的外部换热器(图中未示出)返回炉 11。在分离固体物质后，烟道气体从旋风分离器12引导至热量回收器17，并且从该处进一步引导至飞尘分离器18，飞尘分离器18可例如实施为静电过滤器或袋式过滤器。在飞尘分离器18之后，烟道气体能经由烟囱引导至户外，或者在氧燃料燃烧的情况下被引导至冷凝器19，在冷凝器19中通过冷凝将水和气体杂质从中分离。在冷凝器19之后，氧燃料燃烧的烟道气体20主要含二氧化碳，二氧化碳可利用已知的方法清洁并加压。一次气体流15在炉11的底部经由风箱(图中未示出)或等同物供应。一个以上的二次气体流16在底部上方经由炉11的壁上的喷嘴(图中未示出)供应。燃烧气体15、 16包括以期望比例混合的空气和/或氧气和/或循环烟道气体。在氧燃料燃烧中，循环烟道气体的主要成分是二氧化碳和可能的水蒸气，另外，烟道气体还包括少量的氮氧化物、二氧化硫、氧气和一氧化碳。在空气燃烧中，烟道气体除了以上成分之外还包括很大比例的氮。为了提供固体悬浮物的良好的流化和循环，一次气体流15的比例通常是供应至炉11 的燃烧气体15、16的总量的至少60%。通过第一混合装置21将空气和/或纯氧气M和循环烟道气体25以期望比例混合在一起而生成一次气体15。相同地，通过第二混合装置22将空气和/或纯氧气M和循环烟道气体25以期望比例混合在一起而生成二次气体16。可例如通过氧气发生器或者一些其它合适装置从空气去除氮而生成氧气。循环烟道气体25可根据使用湿烟道气体或干烟道气体的要求而在飞尘分离器18之前或冷凝器19之后从烟道气体的流路获得。用于生成一次气体15的第一混合装置21和用于生成二次气体16的第二混合装置22能够与将气体供应至炉11的喷嘴相关联，或者它们能与炉11分离，由此向气体喷嘴供应已经混合的气体混合物。混合装置21、22可包括公知的装置(阀、测量传感器、调节器等)，用于调节供应至炉的燃烧气体的氧含量。在若干不同的高度可定位二次气体喷嘴，喷嘴可均供应有具有不同氧含量的二次气体。然后，各个二次气体流16可自身设有用于调节二次气体流的氧含量的混合装置22。图2示出了向炉11的下部在水平方向上分区供应一次气体的示例。在炉11的底部，设有风箱26，风箱沈被分隔壁分成五个室^a J6b，每个室供应有一次气体15a、15b，一次气体15a、Mb是空气和/或氧气和/或循环烟道气体的混合物。在该示例中，具有不同氧含量的两个不同的一次气体15a、Mb被引导至风箱沈。具有较高氧含量的第一一次气体 1 被引导至三个室沈⑴其中两个室位于风箱沈的外边缘上，一个室位于中间。具有较低氧含量的第二一次气体1 被引导至两个空气室^b，它们位于接收第一一次气体15a的室26a之间。因此，炉的下部在水平方向上分成三个氧化区A和两个还原区B。在还原区B 中，氮氧化物还原成氮，在氧化区A中发生有效燃烧。随着流化气体向上升，氧化区A与还原区B之间的边界逐渐消失。当氧化区A与还原区B之间的边界消失时，氧含量和温度在炉的水平方向上也稳定。明显的是，风箱能在纵向或横向或两个方向上分成多个室，并且氧化区和还原区的边界能与图2所示的示例不同。图3至7示出了更多示例，它们是关于如何可以在炉的不同点处在其水平方向上供给具有不同氧含量的燃烧气体，使得在炉中能够在水平方向上形成氧含量不同的区域。图3示出了炉11的前部的侧视图，图4示出了炉11的前部的正视图。在炉的前壁四上的供给高度F上，设有若干个以附图标记30表示的燃料供给点，燃料14通过燃料供给点供给至炉中。在燃料供给高度F上方，设有包括若干个燃烧气体供给喷嘴31a、31b 的二次水平S，二次气体16经由燃烧气体供给喷嘴供给至炉中。在二次水平S上方，还有包括若干个三次气体供给喷嘴32a、32b的三次水平T，三次气体观经由三次气体供给喷嘴供给至炉中。在炉的底部设有风箱沈，该风箱的上表面形成一次水平P，一次气体15a、15b在一次水平处供应至炉中。图5示出了从一次水平P的高度看去的炉的前部的俯视图。风箱沈包括均勻部 26b和通过分离壁27与均勻部26b分离的室^a，分离壁在竖直方向上位于燃料供给点30 的下方。风箱的均勻部26b供给有燃烧气体15b，燃烧气体15b的氧含量与供给至分离室 26a的一次气体15a的氧含量不同。因而，可以在燃料供给点30的下方布置具有期望氧含量的区域而不需要改变一次气体的供给速度。图6示出了从二次水平S的高度看去的炉的前部的俯视图。如图4所示，在炉的前壁四上设有两个燃料供给点30，靠近燃料供给点在它们上方设有二次气体第一喷嘴31a， 具有第一氧含量的二次气体16a被引导至二次气体第一喷嘴。在供给点30之间以及靠近炉的侧壁，设有二次气体第二喷嘴31b，具有第二氧含量的二次气体16b经由二次气体第二喷嘴被引导至炉中。图7又示出了从三次水平T的高度看去的炉的前部的俯视图。在燃料供给点30的正上方的三次水平T处设有三次气体第一喷嘴32a，具有第一氧含量的三次气体28a经由三次气体第一喷嘴被引导至炉中。在水平方向上，距经过供给点30的竖直线再远一点，设有至少一个三次气体第二喷嘴32b，具有第二氧含量的三次气体28b经由三次气体第二喷嘴被引导至炉中。在燃料供给点30的上方和下方，经由风箱沈的室^a、二次气体喷嘴31a和三次气体喷嘴32a引导的燃烧气体的氧含量可以例如高于经由在水平方向上距燃料供给点30 或经过燃料供给点30的竖直线较远的室^b、二次气体喷嘴31b和三次气体喷嘴32b引导至炉中的燃烧气体的氧含量。二次气体和三次气体的供给喷嘴分为两类。第一类包括供给喷嘴31a、32a，它们位于与从燃料供给点30向上升起的燃料柱基本相同的竖直线内。该区域包括充足的燃料，并且为了提供良好的燃烧，重要的是该区域供应有富氧的燃烧气体。 第二类包括供给喷嘴31b、32b，它们可靠近炉端部定位以及定位在燃料供给点30之间的段中，其中流化材料的燃料含量明显低于燃料供给点30正上方。在下面的权利要求限定的范围内，本发明的许多不同变型是可行的。
权利要求
1.一种用于优化流化床锅炉中的燃烧条件的方法，其中含氧燃烧气体在两个以上的高度水平处供给，第一高度水平是位于炉底部的高度处的一次水平(P)，第二高度水平是靠近燃料供给高度(F)定位的二次水平(S)，在该二次水平( 上方仍然能存在其它燃烧气体供给水平(T，...)，该方法的特征在于，在炉(11)的水平方向上在不同点处向至少一个所述燃烧气体供给水平(P，S，T，...)供给具有不同氧含量的燃烧气体，使得在炉(11)的水平方向上形成具有不同氧含量的区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将空气和/或纯氧气和/或循环烟道气体以使得每个燃烧气体具有期望氧含量的比例混合在一起，产生具有不同氧含量的燃烧气体。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，一次水平(P)在水平方向上分成两个以上的区域，并且被引导到至少一个这些区域的燃烧气体的氧含量与被引导到至少一个相邻的区域的燃烧气体的氧含量不同。
4.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于，二次水平( 和/或其上方的一个水平(T，...)在水平方向上被分成两个以上的区域，并且被引导到至少一个这些区域的燃烧气体的氧含量与被引导到至少一个相邻的区域的燃烧气体的氧含量不同。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在燃料供给高度(F)上设有多个燃料供给点(30)，在每个燃料供给点(30)下方和/或上方形成一区域，在该区域中向至少一个燃烧气体供给水平(P，S，T，...)供给的燃烧气体的氧含量与在相同供给水平(P，S，T，...)处距燃料供给点(30)较远的区域的燃烧气体的氧含量不同。
6.一种用于优化流化床锅炉中的燃烧条件的装置，该装置包括用于在两个以上的高度水平处供给含氧燃烧气体的设备，第一高度水平是位于炉底部的高度处的一次水平(P)，第二高度水平是靠近燃料供给高度(F)定位的二次水平(S)，在该二次水平( 上方仍然能存在其它燃烧气体供给水平(T，...)，该装置的特征在于，至少一个所述燃烧气体供给水平 (P，S，T，...)设有燃烧气体供给装置，该燃烧气体供给装置布置成在炉(11)的水平方向上在不同点处供给具有不同氧含量的燃烧气体，使得在炉(11)的水平方向上能形成具有不同氧含量的区域。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述燃烧气体供给装置包括混合设备，该混合设备用于将空气和/或氧气和/或循环烟道气体混合在一起，使得燃烧气体具有期望的氧含量。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述燃烧气体供给装置在一次水平 (P)处包括风箱( )，该风箱在水平方向上分成两个以上的室06a，26b)，并且至少一个这些室布置成向炉供给燃烧气体，该燃烧气体的氧含量与经由至少一个相邻的室 (26a, 26b)被引导到炉的燃烧气体的氧含量不同。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的装置，其特征在于，二次水平(S)和/或其上方的一个供给水平(T，...)在水平方向上被分成两个以上的区域，并且每个这些区域设有燃烧气体供给喷嘴(31a，31b，3h，32b)，能够经由燃烧气体供给喷嘴引导到所述区域的燃烧气体的氧含量与经由至少一个相邻的区域被引导到炉的燃烧气体的氧含量不同。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，燃料供给高度(F)包括燃料供给点 (30)，在每个燃料供给点(30)下方和/或上方形成一区域，在该区域中在二次水平(S)或上方的供给水平(T，...)处供给的燃烧气体的氧含量与在相同供给水平(S，T，...)处距燃料供给点(14)较远的区域的燃烧气体的氧含量不同。
全文摘要
一种用于优化流化床锅炉中的燃烧条件的方法和装置，其中燃烧气体在两个以上的高度水平处供给，第一高度水平是位于炉底部的高度处的一次水平(P)，第二高度水平是靠近燃料供给高度(F)定位的二次水平(S)，在该二次水平(S)上方仍然能存在其它燃烧气体供给水平(T，...)，至少一个燃烧气体供给水平(P，S，T，...)在炉(11)的水平方向上在不同点处被供给有具有不同氧含量的燃烧气体，使得在炉(11)的水平方向上能形成具有不同氧含量的区域。
文档编号F23L7/00GK102483231SQ201080036445
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月9日 优先权日2009年8月17日
发明者M·瓦罗宁, T·卢奥马哈尔约 申请人:美卓动力有限公司