低级燃料的增氧燃烧的制作方法

专利名称：低级燃料的增氧燃烧的制作方法
技术领域：
本发明涉及含碳和含烃的燃料如煤的燃烧。
背景技术：
减少燃煤锅炉中NOX和其它排放物的一种方法是，将燃煤转换为污染较小的煤，例如，从东部烟煤转换成西部次烟煤。(按照ASTM D388，煤的等级分类，固定碳的含量和热值作为煤分类的基本标准。在没有水分和矿物质的基础上，褐煤定义为具有的热值小于8,300Btu/lb。次烟煤定义为具有的热值在8,300到11,500Btu/lb之间。高挥发性的烟煤定义为具有的热值在11,500和14,000Btu/lb之间。当上述术语在这里使用时，应用这些定义。中挥发性和低挥发性烟煤及无烟煤根据其固定碳的含量来进行分类。)西部次烟煤和褐煤与东部烟煤相比典型地具有更低的硫含量和更低的氮含量。而且，次烟煤和褐煤比烟煤更具有活性，并且在灰烬中能产生更低未燃的碳(UBC)。通过转换成污染较小的煤，SO2，NOX和灰烬中UBC的排放能被充分的减少。
然而，当将全部甚至部分燃料供应到用于燃烧烟煤的锅炉中时，在转换到更低等级煤时存在几个技术问题。例如，现有的设计为用于烟煤的磨煤机不能处理更大量的次烟煤，以提供同样的热量输入到锅炉中。而且，与烟煤相比，次烟煤或者褐煤的热量值更低并且湿度更高。因此，火焰温度降低，释放单位量的热量时产生更大量的废气。与次烟煤相关联的更低的火焰温度和更大的废气体积通常会导致在热量吸收和分配上的问题散热部分热量吸收减少，过多的热量通过散热部分，并且在对流部分被吸收。这样有时会造成锅炉性能下降，除非对锅炉进行重大的改进。
为了克服用于烟煤的现有的磨煤机的容量限制，需要增加气流，导管加热器和提升机械容量的技术改造。采用管内加热器来减少煤粉的湿度，以改善低级燃煤的火焰点燃特性并增加火焰温度。评估减少的热传递对工厂蒸汽和动力输出的影响需要对锅炉热传递条件的仔细分析。蒸汽循环的改进需要适当的平衡锅炉的散热和对流部分。例如，添加节热器管用于从废气中额外回收热量。而且，针对潜在结垢和堵塞问题需要对过热和再热部分的间距以及气体温度进行复验。可能需要采用额外的吹灰器或者用于炉壁的水清洁装置。(RobertLewis，Gary Camody，和Patrick Jennings，“Summary of Recent Low NOxachievements with Low NOxFiring Systems and High Reactivity PRB and LigniteCoalAs low as 0.1Lb/MMBtu”，以及James Topper等“Maximizing PRB CoalUsage in Conjunction with In-Fumace Solutions to Minimize Cost of NOXCompliance”，两篇文献都在27届煤运用和燃油系统国际会议上发表，2002年3月4-7日，Clearwater，Florida)。
虽然这些锅炉的改进已经成功实现，使煤能从烟煤转化为次烟煤，但由于改进的设备和劳动的费用，以及在改进进行中锅炉的停机的原因，通常会导致昂贵的资金和机会成本。因此，这里就需要提供一种使得从现有的燃煤锅炉中NOX排放减少的方法，其通过转化燃料中的煤的类型能够实现，但是又不需要对现有的锅炉进行重大的改进。本发明的另一目的是通过改善的燃烧能够提高NOX排放的减少量。
发明简述本发明涉及一种改变炉的运行的方法，该炉包括一燃烧室；燃烧装置，用来在所述的燃烧室中燃烧含有结合氮并具有给定的最小热值的烃燃料，从而产生燃烧热量和气态的燃烧产物；供料装置，用来输送所述的燃料和燃烧气体到所述燃烧装置中；烟道装置，用来使所述的燃烧产物从所述燃烧室排出；以及加热装置，用来使用所述的燃烧热量产生蒸汽，其中所述的炉子通过燃烧含有结合氮并具有所述最小热值的第一燃料进行工作，从而以每单位时间的限定最小能量速率产生蒸汽，所述方法包括通过使用热值小于第一燃料的第二烃燃料替换一些或者所有的所述第一燃料来向所述炉子提供替换燃料，替换比使得以每单位时间的能量为单位，供给到所述炉中的所述第二燃料的供给速度除以供给到所述炉中的所述第一燃料的供给速度的值为1.0至1.3，并且供应所述的替换燃料到所述的燃烧装置，在替换燃料从所述燃烧器中排出到所述的燃烧室中时供给气态的氧气，或者将其添加到通过所述燃烧器的进料空气中，供给量小于完全燃烧所述替换燃料所需的化学计量的量的25％，同时减少通过所述燃烧器供给的空气量，该减少量具有足够多的氧，使得在所述炉中总的化学计量比相对于没有添加所述的氧气的化学计量比其变化率不超过10％，并且使用所述燃烧空气及所述氧气燃烧所述替换燃料。
在一个优选的实施方案中，所述第一燃料和所述第二燃料的热值相互关联，使得在给定化学计量比和温度的条件下，用空气燃烧所述第一燃料产生的超过2000F的有效的热量是在所述给定化学计量比和温度的条件下用空气燃烧所述第二燃料产生的超过2000F的有效的热量的103％或者更多。
在另一个优选的实施方案中，所述氧气以足够大的速率供给到所述燃烧器中，使所述炉产生的蒸汽的单位时间能量速率至少等于所述最小限定速率。
在又一个优选实施方案中，所述的第一燃料是烟煤，并且所述的第二燃料任选的包括烟煤，以及进一步包括选自次烟煤，褐煤和它们的混合物的煤。
在燃烧的优选实施方案中，所述的燃烧通过过火焰空气(over fire air)分阶段进行，并且主燃烧区域化学计量比在0.6至1.0之间。
在运行的优选实施方案中，燃料流通过所述的燃烧器供给，并且通过布置在所述燃料流中的中空喷枪喷射氧气将氧气供给到所述的燃料中，当燃料从燃烧器中出现时，氧气喷射入其中。在另一个运行的优选实施方案中，燃料流通过所述的燃烧器中的环形燃料通道被供给，并且借助通过由所述环形燃料通道环绕或者环绕所述环形燃料通道的环形通道来喷射氧气，使氧气供应到所述燃料中。
在本发明中使用了少量的氧气并使至少一些或者全部的燃料转换至低等级(单位质量中含能量更低)的燃料，从而能减少污染的排放物，其方式消除了对昂贵的锅炉改进的需要。一个优选的实施方案是将一些或者全部的物料从烟煤转换到次烟煤或者褐煤。为了便于说明，术语“替换燃料”有时在这里用来指输送到燃烧室中的燃料。当燃烧气体的一部分用氧气替代时，由于减少的空气流动速度减少了流经燃烧室的氮气的量，提高了火焰温度并且减少了废气体积。氧气的加入有效的弥补了把进料煤转换成低等级煤所造成的火焰温度降低和废气体积增加，并且恢复了在锅炉中的热传递条件。而且，如上面所述，氧气的加入在分阶段燃烧条件下进行，从而能在富含燃料的燃烧阶段能提高NOX的还原动力。
在这里采用的“化学计量比”表示供给的氧气相对于氧气总量的比率，此氧气总量是能将在供给物质中包含的所有的碳，硫和氢转化为二氧化碳，二氧化硫，和水所需的氧气量。
在此使用的“NOX”表示氮的氧化物，例如但并不限于，NO，NO2，NO3，N2O，N2O3，N2O4，N3O4以及它们的混合物。
在此使用的“SOX”表示硫的氧化物，例如但并不限于，SO2，SO3及它们的混合物。
在此使用的“结合氮”表示氮是分子的一部分，该分子还包括碳和氢，并任选地包含氧。
在此使用的“采用低NOX燃烧器的分阶段燃烧”表示在炉中的燃烧，其中将完全燃烧燃料所需的燃烧空气的一部分延迟与燃料混合，以产生具有相对较大的富含燃料的火焰区域的火焰。
在此使用的“采用过火焰空气的全阶段燃烧或者分阶段燃烧”表示在炉中的燃烧，其中将完全燃烧燃料所需要的燃烧气体的一部分(“过火焰空气”)不是通过或者紧邻任何燃烧器地输送到炉中，而是通过一个或者多个设置在燃烧器和炉管道装置之间的入口输送到炉中，并且在没有相应燃料输送的条件下被供给。
附图简述

图1表示实施本发明的装置的一个实施方案的横截面示意图。
图2表示用于实施本发明的一个燃烧器的横截面示意图。
发明详述本发明参考附图加以说明，但是参考附图的描述不限制本发明所要保护的范围。
附图1示出了燃烧装置1，可以为任何在其内部2进行燃烧的装置。其中优选的燃烧装置包括炉和锅炉，它们用来通过未示出的传统装置来产生电能。
在燃烧装置1的侧壁或者端壁上的每个燃烧器3将燃料、空气和氧气从燃烧装置1的外部源送入燃烧装置1的内部2中。合适的燃料包括烃流体，如燃油，也包括粉状烃固体，一个优选的例子是粉状煤或石油焦炭。
如附图1所示，以及特别是附图2所示，燃烧器3优选由若干同心排列的通道构成，虽然可以使用能获得相同效果的其它结构。燃料通过环状通道4进入燃烧装置1，环状通道4同心的围绕着喷枪5布置，如这里所述的，通过喷枪5送入氧气。优选的是，燃料从供应源20送到一个或者更多的燃烧器3中，然后通过燃烧器3推进到燃烧装置1的内部2中，在燃料为诸如燃油的流体的情况下通过合适的泵装置来进行，在燃料为诸如粉状煤的烃固体的情况下通过传统设计的鼓风机和叶轮来进行，这些燃料在借助输送空气或者一次空气的帮助下，按照惯例的被送入到燃烧装置中。流体烃燃料优选通过一个或者更多的传统设计的喷雾嘴送入，并且输送流体燃料以与雾化空气在一起的不连续的，分散的雾滴的形式送入到燃烧室中。用来输送1lb煤使用的一次空气的有效量一般大约为1.5-2.0lb，相当于完全燃烧烟煤所需的化学计量燃烧空气的约20％。对于重油燃烧，通常用大约0.5至1.0lb的一次空气来雾化1lb的油。
燃烧空气22是由鼓风机(“FD”)提供到一个或者更多的风箱21中，并输送到一个或者更多燃烧器3的空气通道中。二次燃烧空气15通过燃烧器3送入到燃烧装置1中，优选通过环绕输送烃燃料的环形空隙4的同心排列的环状通道11送入。优选三次燃烧空气16通过燃烧器3输送到燃烧装置1中，优选通过环绕着二次空气通道的同心排列的环形通道12送入。优选燃烧空气也通过过火焰空气口7(见附图1)送入燃烧装置1中。优选的是，氧气被输送入燃烧装置的内部2中并与二次和三次空气相隔离。也就是说，根据本发明的通过燃烧器3输送的氧气，在输送入燃烧装置1之前或者之后，特别当没有使用过火焰空气时，优选不与二次和三次燃烧空气混合。
优选的低NOX燃烧器具有一次(燃料)，二次和三次空气通道以便于其具有良好的气动调节性能。然而，可以采用设计为仅仅具有一次和二次空气进料的其它低NOX燃烧器。一旦确定了具有三个通道的最佳设置，二次空气的涡旋叶片和通道可以设计用于产生与三通道设计相同的气动混合特征。另一选择，可以使用具有附加(四次)通道的燃烧器(如在美国专利5,960,724中描述的RSFCTM燃烧器)。
在根据本发明来改进一个燃烧装置以减少在燃烧装置运行过程中的NOX的生成之前，仍没提出输送氧气的喷枪5。燃烧在烃燃料和燃烧空气中的氧气之间进行，导致火焰6的形成。与燃烧器3的末端相邻的火焰区域8，也就是，烃燃料从燃烧器排出的位置，是富含燃料的区域。在其周围的火焰6的区域，燃料相对较少，因为二次和三次燃烧空气没有与燃料充分反应。当足够量的空气从过火焰空气口7送入用于全阶段燃烧时，在过火焰空气口7下面的整个炉子的下部区域，或者主要燃烧区(PCZ)10，变得富含燃料，除了注入空气的并且没有和燃料充分反应的燃烧器3附近的区域以外。
然后，加入喷枪5。另一选择，输送燃料和燃烧空气的燃烧器由在附图中所说明的和在此所描述的燃烧器所代替。
优选的是，也通过过火焰空气口7将空气送入到燃料装置1内部，使得主要燃烧区10富含燃料，并提供多余的氧气以帮助燃料在燃尽区9中完全燃烧。通过燃烧器3送入的燃烧空气中的氧气，与口7送入的氧气结合，足够使燃料燃烧完全，其一般包括超过燃料完全燃烧所需氧气量10-15体积％的过量氧气。
优选的是，二次和三次燃烧空气是在燃烧器3处送入，以便在纵轴线周围形成涡旋，从而在每一燃烧器附近产生再循环区域，并改善空气和燃料的混合。涡旋可以通过公知技术获得，如在燃烧器的二次和三次空气流的环形通道中提供偏转板13和14，其引导物料流至预期的涡旋方向上。优选提供高度的涡旋。优选的涡旋值是0.6-2.0，如在J.M.Beer和N.A.Robert E.Krieger PublishingCompany，Inc.，1983的“燃烧空气动力学”中所述。
优选的是，通过燃烧器3送入的空气总量，即一次，二次和三次空气之和为完全燃烧所需空气的化学计量用量的60-95％。最优选的是，通过燃烧器3送入的空气总量为完全燃烧所需空气的化学计量用量的大约70-85％。
每股燃烧空气的流速优选为每秒50至200英尺。通过喷枪5喷射的氧气的速度优选为一次空气速度的50％至200％。
试验表明一个优选的方法就是使至少一些燃油颗粒或者雾滴暴露到高浓度的氧气中，而不是将整个燃烧空气均匀的增浓。喷射氧气到低NOX燃烧器的风箱21中，以至于使得包含临界一次阶段空气的加浓的空气能送入整个燃烧器中，这样一种简单的方法不认为是有效的。
当氧气快速地预先混合或混合到使用20％化学计量空气的煤输送物流中并且总燃烧化学计量比为1.15时，对输送空气流中和总燃烧空气中的相应氧气的平均浓度进行了计算。
以氧气替代的％SR的空 在输送空气中的氧气浓 总燃烧空气中的平氧气气(*) 度(Vol.％)浓度(Vol.％)0 21.0 21.05 24.9 21.71028.5 22.51531.7 23.42034.7 24.32537.4 25.4(*例如5cf空气由1.05cf纯氧替代，从而给出相同的氧气量)由于使用了少量的氧气，在混合均匀时，甚至在氧气仅仅与输送空气混合时，在空气中的氧气浓度仅仅得到适度增加。一个优选方法是在喷嘴的尖端喷射氧气到煤/空气输送流中。在这种情况下，一些煤微粒与氧气射流混合并且在局部产生了一个煤高氧混合物区。与氧气与输送气流预混合相比，这种情况可提供快速点火源区域并且有利于早期的点燃和挥发。
另外优选的方法是从与煤气流相邻的内部或者外部环状空隙中喷射氧气。在这种情况下，在煤和氧气流的边界上提供了合适的富氧燃烧条件。
当以高速平行于燃料流地独立喷射氧气时，就如Farmayan等人的情况一样，(“在煤-水淤浆燃烧中NOX和碳排放物控制”，第六届国际煤浆燃烧和技术论文集，Orlando.Florida，1984年6月25-27日)，氧气射流被周围气体迅速稀释，其作用被减缓。因此，氧气喷射的方法需要仔细的考虑。
如这里所述，本发明通过输送氧气到烃燃料流中，改善即减少了在燃烧装置中的NOX的生成。更加具体地说，当烃燃料从燃烧器中排出并且进入到燃烧装置1的内部2时，氧气(表示的是气流包括至少50vol.％氧气，优选至少80vol.％氧气，最优选至少90vol.％氧气)直接送入烃燃料中。这样，至少一些固体燃料颗粒，或者液体燃料雾滴，根据具体情况而定，进入到燃烧装置和具有高浓度氧气的气态环境中的、火焰6的富含燃料部分中。
当过火焰空气用于全燃烧阶段时，优选使用装配有四个分开的空气通道的空气燃烧器，在燃烧器3的气体通道中采用合适的喷雾器，氧气可与一次空气或者二次空气或者这两者预混合。
氧气优选通过喷枪5或者类似的输送管输送，此喷枪或类似的输送管可在朝向燃烧装置1的末端开口，或者在该末端封闭而在邻近封闭末端的外围具有许多开口，从而使得氧气通过这些开口直接流入到从燃烧器中进入到燃烧装置中的烃燃料中。
以这种方式加入的氧气量应足够在火焰中的富含燃料区域6中建立小于约0.85的化学计量比。通过喷枪5加入的氧气量应小于使燃料完全燃烧所需的化学计量用量的25％。更优选的是，所述的氧气量相当于小于使燃料完全燃烧所需的化学计量用量的15％。
同时，通过燃烧器3进入燃烧装置1的二次和三次燃烧空气的量需要随喷枪5送入的氧气的量相应减少。更加具体地说，通过燃烧器3送入的二次和三次以及四次(如果使用的话)，燃烧空气应当减少，减少量为包含在通过喷枪5送入到燃料中的氧气量的10％之内。
NOX的排放主要取决于局部的化学计量条件。由于氧气的注入引起局部化学计量条件更贫乏，人们必须考虑到氧气注入后局部化学计量条件的变化。例如，将相当于化学计量空气的10％的氧气注入到化学计量比为0.4(SR＝0.4)的局部富含燃料区域中，不改变送入的燃烧空气的量，会将局部化学计量条件改变为SR＝0.5，并可以预期明显减少NOX的释放。这样的效果明显好于保持局部化学计量条件为SR＝0.4时“用氧气替代10％空气”。如果等量的氧气注入到局部化学计量条件为SR＝0.95的火焰区域而不改变燃烧空气的话，如果局部化学计量条件增至化学计量比SR＝1.05，NOX的释放预计会急剧增加。
因此，通常优选喷射氧气到火焰的最富足的区域。
在没有OFA的气动分阶段的燃烧器中，应避免将氧气喷射或者混合到三次空气和四次空气中，如果使用四次空气的话。在理论上，局部化学计量条件的优化可以用包括空气的任何氧化剂进行。然而，氧气是更有效的，因为，仅仅需要小的体积并且局部化学计量条件被改变对火焰的总气动混合条件不会产生大的影响。
另一个重要的需求是增氧要在能够保存或者提高气动分阶段火焰的富含燃料区域(“N2”形成区域)物理尺寸的条件下完成。氧气喷射的方法和在燃烧器中的某个空气通道中空气流的相应减少可能会影响燃烧器的气动分阶段条件，从而影响物理尺寸和局部化学计量条件。如果氧气喷射的结果导致富含燃料区域的尺寸减少并且在富含燃料区域中平均气体滞留的时间减少，这样的变化会导致NOX的增加。例如，通过在附图3a中所示的轴向喷枪高速的喷射氧气将有效的增加围绕煤/空气流的轴向动量，进而提高二次和三次空气的混合。结果是火焰的富含燃料NOX减少区域的尺寸减少并且NOX可能增加。另一方面，当从轴向设置的氧气喷枪，如在附图3b中所示在燃烧器尖端附近的，径向喷射氧气流时，能有效的增加在燃烧器附近的再循环区域并且增加富含燃料区域的尺寸，进一步通过增氧提高NOX减少量。对一个特殊的燃烧器要实现NOX减少的目的，必须审慎评价在燃烧器气动条件下的氧气喷射的复杂影响。
对本发明的意想不到的性能的任何特定说明并不作为对本发明的限制，根据本发明运行的燃烧装置的性能与这样一种机构所产生的性能是一致的，在此机构中，喷射的氧气导致最靠近燃烧器的火焰部分的温度增加，进而导致存在于烃燃料中的相对易挥发性的组分从燃料中进入气相，并且与周围的氧气发生部分反应，因此，产生了相对减少的空气，此空气能够使含氮的物质从燃烧燃料中释放，从而转化为分子氮，也就是说，N2，而不是转化成NOX化合物。
通常说来，燃料和氧气进入的富含燃料区域的温度大约在2500°F的数量级或者更高。以这样的方式输送氧气导致火焰6的基部向更靠近燃烧器3的开口移动，或者甚至变得附在燃烧器3上。然而，当烃燃料在燃烧器中出现时，以这里所描述的这样的方式输送氧气到烃燃料中时，燃烧将以同样的方式进行，即使火焰变得附在燃烧器上。在一个稳定状态的运行中，例如在燃烧装置已经按照本发明的教导进行了改进，燃烧装置持续以小于25％，优选小于15％的燃料完全燃烧所需氧气的化学计量所需的量输送到燃料中运行，同时通过燃烧器输送的燃烧空气以小于其它情况所需的量，以便输送入装置的氧气的总量至少是完全燃烧燃料所需的化学计量的量。
虽然本发明是参照附图1，2和3对具有多个燃烧器的壁燃式锅炉进行了描述，但其也能运用到其它的锅炉上，其它的锅炉包括切向燃烧锅炉和旋风燃烧锅炉，但不局限于此。
在本发明中使用了少量氧气，如上所述的，与转换至少一些或者所有的燃料到低等级(每单元质量中含有更低的能量)的燃料相联合，从而减少污染排放物，以这种方式不需要进行昂贵的锅炉改进。众所周知，从大型燃煤锅炉中产生的NOX，SOX和其它排放物绝大程度取决于燃煤的类型。因此，转换到更低污染的煤，例如，从东部烟煤转换到西部次烟煤，优选与上述的喷射氧气的方法结合，对燃煤锅炉和炉中排放的减少产生了协同增效效果。西部次烟煤和褐煤通常比东部烟煤具有更低的硫含量和氮含量。而且，次烟煤和褐煤比烟煤更具有活性，并且在灰烬中能产生更低的未燃的碳(UBC)。通过转换到更低污染的煤，SOX和NOX和灰烬中的UBC能得到充分减少。
一个优选的实施方案是将一些或者全部的进料从烟煤转换到次烟煤或者褐煤。当燃烧空气的一部分用氧气替代时，由于降低的空气流速减少了流经燃烧室的氮气的量，提高了火焰温度并且减少了废气体积。氧气的加入有效的弥补了转换进料煤到低等级煤所造成的火焰温度的降低和废气体积的增加，并且恢复了在锅炉中的热传递情况。而且，氧气的加入能在分阶段燃烧条件下进行，从而能在富含燃料燃烧阶段能提高NOX的还原动力，如这里所述的一样。
本发明通过下面煤转换的实施方案进行了详细的描述，煤转换通过燃烧和热传递的锅炉的计算机模型进行了模拟。
实施例1一个220MW基于热输入的并采用Pittsburgh#8(Pit#8)煤层的烟煤作为燃料的旋风燃烧锅炉作为基准(情形1)。将进料煤由来自Wyoming的PowderRiver Basin(PRB)转换成低等级的次烟煤。在表1中对煤的特性作出了概述。
表1近似分析(％，潮湿)Pit#8 PRB湿度 5.2 28.7V.M38.1 32.0F.C48.1 33.7灰 8.6 5.6总量 100 100最终分析(％，干燥)C 74.0 68.3H 5.1 4.91N 1.6 1.00O 7.9 17.25
S2.3 0.70灰 9.1 7.84总量 100 100HHV(btu/lb，潮湿)12540 8650在表2中，锅炉的运行特征从下面六种情形进行概述。
情形1.采用烟煤(Pit#8)和空气的基准运行。
情形2.在等量的燃料输入下采用次烟煤(PRB)和空气的运行。
情形3.在增加的燃料输入下采用次烟煤(PRB)和空气的运行。
情形4.在等量的燃料输入下采用次烟煤(PRB)和增氧空气的运行。
情形5.在增加的燃料输入下采用次烟煤(PRB)和增氧空气的运行。
情形6.在增加的燃料输入，在线(in-line)管道燃烧器关闭的条件下采用次烟煤(PRB)和增氧空气的运行。
在情形1的基准运行中，60,372lb/hr的烟煤同9,144,000SCFH的燃烧空气进行燃烧。基于更高的热值HHV的总热输入等于756.6MMBtu/hr，并且总的化学计量比为1.18，从而提供了3％的过量氧气在废气中。在煤中50％的湿气在磨煤机和通向燃烧器的传输管中蒸发。化学计量燃烧气体的大约20％作为一次气体用来输送煤粉，且温度为153F。余量气体作为燃烧使用的二次气体并且在热风器中预热到522°F。没有过火焰空气口用来使燃烧分阶段。在炉散热部分中，342.5MMBtu/hr的热量被锅炉的水墙所吸收，并产生蒸汽。炉中气体温度(FEGT)为2144F。71.6和85.2MMBtu/hr的热量分别传递到最后的过热器部分和再热器部分，并且废气温度降到1520°F。然后，废气经过主过热器/节热器部分以及气体加热器部分并从排气管中排出。基于燃料输入的HHV，锅炉的效率为83.5％。
表2.锅炉的运行情形1 情形2情形3 情形4情形5 情形6情形的定义煤类型Pit.#8PRB PRB PRB PRB PRB在磨煤机中蒸发的湿气％5050 50 50 50 6管道燃烧器(Y/N) N YY YY N氧化剂中O2百分含量 20.67 20.6720.67 22.2622.02 22.02炉的运行煤的流速(lb/hr) 60372 8752292160 8752290147 91367燃烧速率(MMBtu/hr，HHV) 756.6 756.6796.7 756.6779.3 789.8管道燃烧器(MMBtu/hr，HHV) 0 13.2 13.213.2 13.20氧化剂流量(SCFH) 9144000 9054000 9532800 8312400 8668800 8643600废气温度(F)炉出口(FEGT) 2144 2092 21222102 21222115离开再热器1520 1506 15361491 15141511离开节热器850 851 895 821 854 850热量吸收(MMBtu/hr)水墙 342.5 320.3329.4 341.9342.9 342.9最后过热器71.6 70.0 73.169.2 72.271.7再热器85.2 84.0 89.981.7 85.084.4主过热器+节热器 132.2 136.3140.6 130.0133.3 133.1总计 631.5 610.6633.0 622.8633.4 632.1锅炉效率总体(％HHV煤输入) 83.5 80.7 79.582.3 81.380.0净效率(％HHV煤+NG输入)83.5 79.3 78.280.9 79.980.0在情形2至6中，煤转换成次烟煤PRB。在情形2中，8,7522lb.hr的次烟煤与9,054,000SCFH的燃烧空气燃烧，从而能保持与基准一样的总热量输入756.6MMBtu/hr。总的化学计量比调整到1.19，从而提供了3％的过量氧气在废气中。化学计量燃烧气体的大约20％作为一次气体用来输送煤粉，温度为153F。为了在煤磨煤机和输送管道中蒸发收到的煤中的湿气的大约50％，使用了管道燃烧器并且消耗了13.2MMBtu/hr的天然气。余量气体作为燃烧使用的二次气体并且在热风器中预热到522°F。对锅炉的运行没有作其它的改变。在炉散热部分中，320.3MMBtu/hr的热量被锅炉的水墙所吸收，并产生蒸汽。炉中气体温度(FEGT)降低到2,092°F，70.0和84.0MMBtu/hr的热量分别传递到最后的过热器部分和再热器部分，并且废气温度降到1506°F。虽然保持了同样的热量输入，但分别被水墙，过热器，再热器吸收了6.5％，2.2％和1.4％的热量，导致火焰温度下降。另一方面，由于更大的废气体积和更快的废气速度，流经主过热器/节热器部分的热通量增加。在这种情况下，与燃烧烟煤的基准情形相比，总的热吸收量和随后的蒸汽产物减少了3.3％。废气体积增大了5.04％，同时废气速度也相应的增加。基于输入煤的HHV，锅炉效率减少了2.8％，减少到80.7％。包括使用天然气来干燥煤的HHV的锅炉的净效率为79.3％，与燃烧烟煤的基准情形相比减少了4.2％。
为了克服在情形2中的蒸汽输出的不足，在情形3中燃料的输入增加至796.7MMBtu/hr，同时保持其它的燃烧参数，如化学计量比和气体预热温度。总的锅炉热量吸收为633.0MMBtu/hr，这与基准条件接近一致。炉中气体温度(FEGT)增加到2122°F，73.1和89.9MMBtu/hr的热量分别传递到过热器部分和再热器部分，并且废气温度升高至1536°F。虽然和基准情形1相比获得了相同的总的吸收热量，但是其结果是在过热器部分和再热器部分中的热量吸收大大提高了。虽然过热器和再热器更高的吸收热量导致的蒸汽温度增加可由锅炉中的温度调节器的供给水喷射来得到控制，但是在过热器中高的温度限制可能会导致在其它一些的锅炉中容量的限制。可以观察到，由于在节热器后的更高的气体温度而导致效率损失明显。基于煤输入的HHV，锅炉的效率减少4.0％到79.5％。包括使用天然气来干燥煤的HHV的锅炉的净效率为78.2％，与燃烧烟煤的基准情形相比减少了5.3％。
在情形4中，除了燃料类型外，与情形1保持相同的燃料输入和其它的燃烧参数，使用增氧空气以增加在水墙上的热吸收量。通过加浓燃烧气体中的氧气浓度至22.26％，锅炉水墙吸收了341.9MMBtu/hr的热量，与基准条件接近一致。炉中气体温度(FEGT)是2102°F，69.2和81.7MMBtu/hr的热量分别传递到过热器部分和再热器部分，并且废气温度降低至1491°F。与情形2相比，已观察到，由于在节热器后的更低的气体温度而导致效率明显增加。虽然与基准情形1相比，在水墙上总的吸收热量相同，但由于更小的废气体积，最后的过热器，再热器和主过热器/节热器部分热量的吸收大大降低。基于煤输入的HHV，锅炉的效率减少1.2％，达到82.3％。包括使用天然气来干燥煤的HHV的锅炉的净效率为80.9％，与燃烧烟煤的基准情形相比减少了2.6％。
在情形5中，燃料输入增加并结合增氧空气，从而与基准情形1中的热传递条件一致。通过增加燃料输入至779.3MMBtu/hr和加浓燃烧气体中氧气的浓度至22.02％，所有的热通量和情形1中的接近一致。这个实施方案表明了，通过转换燃料到次烟煤并用增氧空气，恢复原来的烟煤和气体燃烧的热传递条件是可能的。
在情形6中，采用天然气的管道燃烧器关闭，并且燃料输入增加并结合增氧空气，从而与基准情形1中的热传递条件一致。通过增加燃料输入至789.8MMBtu/hr和加浓燃烧气体中氧气的浓度至22.02％，流经锅炉的热传递表面的单独的和总的热通量与无需管道燃烧器的情形1中的接近一致。通过消除对燃烧比煤贵的多的天然气的管道燃烧器的需要，能取得显著的经济效益。
虽然上述的实施方案是在基于从烟煤转换为次烟煤的转换煤的类型上对本发明进行说明的，但本发明还可应用到从一种具有给定的绝热火焰温度的燃料或者燃料的混合物转换到另一种燃料或燃料混合物的一般燃料转换中，所述另一种燃料或燃料混合物包含至少一种燃料，此燃料不同于原始的燃料，其具有更低的绝热火焰温度和更大的废气体积。例如，通过用生物燃料部分取代煤，在燃煤锅炉中共同燃烧生物燃料如煤泥，动物废料，这也可以看作为本发明的一部分。通常说来，增氧增加了火焰的温度和高温有效热量。由于锅炉的炉中气体温度通常是2000F至2400F，在化学计量条件下的燃料在空气中燃烧的有效热量就是不同的参比燃料和所需的氧气量的最好的参数，尽管更高的火焰温度通常与更加有效的热量是相关的。虽然热传递特性如火焰和气体热辐射率对水墙的热吸收产生次要的影响，但锅炉水墙的热通量与超过2000F的有效热量紧密的结合。
权利要求
1.一种改进炉的运行的方法，该炉(1)包括燃烧室(2)；燃烧装置(3)，用于在所述的燃烧室(2)中燃烧包含有结合氮和具有给定的最小热值的烃燃料，从而产生燃烧热量和气态的燃烧产物；供料装置(20、22)，用于输送所述燃料和燃烧气体到所述燃烧装置(3)中；烟道装置，用来使所述的燃烧产物离开所述燃烧室(2)；以及加热装置，用于使用所述的燃烧热量产生蒸汽；其中所述的炉子通过燃烧包含有结合氮和具有所述最小热值的第一燃料来运行，从而以每单位时间的能量的限定最小速率产生蒸汽；所述方法包括通过使用热值小于第一燃料的第二烃燃料替换一些或者所有的所述第一燃料来向所述炉子提供替换燃料，替换比使得以每单位时间的能量为单位，供给到所述炉中的所述第二燃料的供给速度除以供给到所述炉中的所述第一燃料的供给速度的值为1.0至1.3，并且供应所述的替换燃料到所述的燃烧装置(3)；在所述替换燃料从所述燃烧器(3)中排出到所述的燃烧室(2)中时供给气态的氧气，或者把它加入到通过所述燃烧器(2)的进料空气中，供给量小于完全燃烧所述替换燃料所需的化学计量用量的25％，同时减少通过所述燃烧器(3)供给的空气量，该减少量具有足够多的氧，使得在所述炉(1)中总的化学计量比相对于没有添加所述的氧气的化学计量比其变化率不超过10％，并且用所述燃烧气体以及所述氧气燃烧所述替换燃料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一燃料和所述第二燃料的热值相互关联，使得在给定化学计量比和温度的条件下用空气燃烧所述第一燃料产生的超过2000F的有效热量是在所述给定化学计量比和温度的条件下用空气燃烧所述第二燃料产生的超过2000F的有效热量的103％或者更多。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧气以足够大的速率供给到所述燃烧器(3)中，使所述炉以每单位时间的能量含量的速率至少等于所述的限定的最小速率来产生蒸汽。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一燃料是烟煤，并且所述的第二燃料任选的包括烟煤，进一步包括选自烟煤，褐煤和它们的混合物。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的燃烧用过火焰空气(7)分段进行，并且主燃烧区域的化学计量比为0.6至1.0。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，燃料流通过所述的燃烧器(3)供给，并且当燃料从燃烧器中排出时，通过设置在所述燃料流中的中空喷枪(5)将氧气喷射到燃料中来供氧。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，燃料流通过所述的燃烧器(3)的环形燃料通道(4)供给，氧气通过环绕所述环形燃料通道的环形通道(11)或者由所述环形燃料通道环绕的环形通道(5)来喷射，从而将其供应到所述燃料中。
全文摘要
一炉(1)，其用来燃烧具有一给定最小能量的燃料，例如煤，从而能在单位时间获得一规定的最小能量，此炉可用来燃烧具有更低能量含量的燃料，同时通过用氧气来替换供给到炉中的少量燃烧空气，仍然至少能获得规定的最小能量产生率。采用氧气来替换燃烧空气也减少了NO
文档编号A61B18/08GK1668876SQ03816424
公开日2005年9月14日 申请日期2003年7月9日 优先权日2002年7月11日
发明者H·科巴亚施, L·E·布尔三世, K·T·吴 申请人:普莱克斯技术有限公司