專利名稱：改善具有循環(huán)流化床的系統(tǒng)的燃燒的方法及相應系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種改善具有循環(huán)流化床的燃燒系統(tǒng)的燃燒的方法。它還涉及一種實現該方法的系統(tǒng)。
如所公知的一樣，尤其在礦石-燃料動力站中，這種系統(tǒng)燃燒破碎的固體燃料、液體燃料或者氣體燃料。它的缺點是產生氮氧化物(NOx)，因此尋找一些方法來限制這種氧化物的排放，尤其通過促使把燃料中的含氮物質釋放到進行弱氧化或者甚至還原的氣氛中來限制這種氧化物的排放。傳統(tǒng)上通過設計這樣的火爐來實現這種限制構造成使空氣進入口在該火爐高度上的不同平面或者“層”進行交錯(staggered)。
一種公知的解決方案是使構造成以一定流量把“初始”空氣噴射到設置在火爐底部上的區(qū)域內，而該流量是這樣被決定的以致可以得到過量空氣系數，以此產生了還原氣氛?！拜o助”空氣噴射在火爐底部區(qū)域上方處的一層或者多層上，從而產生氧化區(qū)域，而該區(qū)域在火爐高度的剩余部分上進行延伸。
可惜的是，這種公知解決方案不能提供足夠高的性能，因此，本發(fā)明的目的是使如下所述成為可能在具有循環(huán)流化床和在公知方法涉及的火爐和旋流器的燃燒系統(tǒng)中減少有害氮氧化物(NOx)的排放，并且同時不會使該系統(tǒng)的燃燒效率減少。
因此，本發(fā)明提供了一種提高在循環(huán)流化床類型的系統(tǒng)中所進行的燃燒的方法，該系統(tǒng)包括火爐，該火爐伴隨有至少一個旋流器，該火爐尤其用來把能量輸送到發(fā)電設備中的熱交換器中。該系統(tǒng)假設成使用插入到火爐底部上的燃料來工作，在火爐底部上形成還原氣氛并且燃料進行高溫分解從而分解成兩個相即固相和氣相，該固相由焦炭的顆粒和來自原始燃料的氮-焦炭組成；該氣相含有揮發(fā)性物質，并且尤其含有在原始燃料中的剩余氮。這些顆粒和揮發(fā)性物質在連續(xù)進行燃燒的火爐內部升起來，同時留下了未完全燃燒的顆粒，借助于旋流器的作用這些未完全燃燒的顆粒被吸取并且返回到火爐的底部。因此，給這些仍然含有未燃燒碳的固體顆粒又一個完全燃燒的機會。除了在火爐底部進行初始空氣噴射及在產生還原氣氛的底部區(qū)域上方的火爐內產生弱氧化氣氛所進行的至少一次輔助空氣噴射之外，還提供了“后期”空氣噴射。
在本發(fā)明方法的優(yōu)選實施例中，在旋流器的進入口的上游處所噴射的后期空氣被導向，從而改善由旋流器作用所吸取的固體顆粒的通道，從而增加了旋流器的收集效率，并且因此增加了該系統(tǒng)的燃燒效率。
在本發(fā)明方法的實施例中，借助后期空氣噴射所引起的輔助混合作用，新鮮的熱空氣的后期空氣噴射用來改善在來自火爐的廢氣中的未燃燒氣體的燃燒。
在本發(fā)明的實施例中，在旋流器入口的上游處所噴射出來的后期空氣流量被選擇成位于輸送到該系統(tǒng)中進行燃燒的總空氣流量的約5％到所述總空氣流量的約30％的范圍內。
在本發(fā)明方法的實施例中，初始空氣噴射、輔助空氣噴射和后期空氣噴射是這樣的它們導致了過量空氣系數λ，這些系數λ分別是在氣氛是還原氣氛的該區(qū)內的火爐下部處大約為0.5；在氣氛是弱氧化氣氛的、位于上述部分上方的火爐的上部處為0.95到1.15的范圍；在后期噴射產生它的作用的位于所述上部處的上方為1.15到1.3。因此實現氮氧化物(NOx)排放的明顯減少是可能的。
本發(fā)明還提供了循環(huán)流化床型的燃燒系統(tǒng)，該燃燒系統(tǒng)使實現上述方法成為可能。
該系統(tǒng)包括火爐，與該火爐有關的至少有一個旋流器，該火爐尤其用來把能量輸送到發(fā)電設備中的熱交換器中，并且它使用插入到火爐底部處的燃料進行工作，而該火爐底部處，產生了還原氣氛并且燃料進行高溫分解從而分離成兩個相即固相和液相，該固相由焦炭的顆粒組成，該焦炭顆粒含有氮-焦炭部分并且來自原始燃料；該氣相含有揮發(fā)性物質，并且尤其含有含在原始燃料中的剩余氮，這些顆粒和揮發(fā)性物質在連續(xù)進行燃燒的火爐內部升起來，同時留下了未完全燃燒的顆粒，借助于旋流器，這些未完全燃燒的顆粒被吸收并且返回到火爐的底部。
根據本發(fā)明的特征，燃燒系統(tǒng)包括用來實現“后期”空氣噴射的裝置，從而噴射“后期”的、新鮮的熱空氣，該裝置設置在火爐的頂部和旋流器的入口之間，并且這些裝置被構成來作用在吸收顆粒的通道中，從而增加旋流器的收集效率；用來實現把初始空氣噴射到火爐的底部中的裝置，從而產生還原氣氛；及用來實現輔助空氣噴射的裝置，從而在位于產生還原氣氛的底部區(qū)域上方的火爐區(qū)域內產生弱氧化氣氛。
在本發(fā)明中，后期空氣噴射裝置包括噴射器，這些噴射器通到導管中，通過導管，火爐的頂部連接到旋流器的入口；噴射器，這些噴射器通過設置在導管內壁上的噴孔通到所述導管中；及可選擇的噴射器，經過其頂部這些噴射器通過設置在導管上的噴孔通到導管。
在本發(fā)明的替代實施例中，燃燒系統(tǒng)包括后期空氣噴射器，通過為該系統(tǒng)輸送輔助空氣的回路，這些后期空氣噴射器被供給來自系統(tǒng)的空氣加熱器的新鮮的熱空氣。
在另一個替代實施例中，添加物噴射器設置在后期空氣噴射器噴孔內，從而通過所述噴孔穿入導管，并且有助于添加物穿過大部分廢氣，而添加物噴射到該廢氣中。
參照下面目錄中的附圖所給出的下面說明，更加詳細地描述了本發(fā)明、及其特征和優(yōu)點。


圖1是表示具有循環(huán)流化床的燃燒系統(tǒng)的簡圖，該系統(tǒng)使以熱量的方式把能量輸送到熱交換器中成為可能；圖2是表示在傳統(tǒng)循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)中過量空氣系數如何變化的圖，如圖3示意性所示一樣；圖4是表示在本發(fā)明的循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)中過量空氣系數如何變化的圖，如圖5示意性所示一樣；及圖6和7各自是沿方向F看去的側視圖和視圖，示出了本發(fā)明的燃燒系統(tǒng)的后期空氣噴射結構。
循環(huán)流化床類的燃燒系統(tǒng)1的公知例子示意性地表示在圖1中。在這個例子中，該系統(tǒng)設計成燃燒礦石原料的燃料如煤或者褐煤。例如，它與熱交換器2相關聯，該交換器把熱量形式的能量輸送到在工業(yè)上用來發(fā)電的設備中。火爐3和旋流器4構成了燃燒系統(tǒng)的主要元件。它們以公知的方式相互連接起來并且與熱交換器連接起來，在這個例子中，它們把熱能輸送到熱交換器2中。
帶有粉塵顆粒(該粉塵顆粒含有未燃燒的碳)的廢氣在旋流器4內進行離心。以這種方式進行分離出來的顆粒通過虹吸管6重新噴射到火爐3的底部上。初始空氣從下部噴射到火爐3的最底部，如箭頭AP所示一樣。還原氣氛經常產生在該火爐的這個下部處，在該下部處，過量空氣系數λ明顯小于1，如圖2所示一樣，而圖2表示了沿圖3中示意性所示出的燃燒系統(tǒng)的整個高度上該系數λ如何變化。在這個區(qū)域內，燃料進行高溫分解，并且易燃物質分解成兩種相。因此，這兩種相的一個是焦炭顆粒和一小部分來自原始燃料中的氮所組成，這通常稱為“氮-焦炭”。另一個相是揮發(fā)性物質和尤其來自原始燃料的氮的剩余物一起組合而成。如公知的一樣，燃料的揮發(fā)性物質含量越高，那么該部分的揮發(fā)性氮越多。因此，就由非常易反應的煤如褐煤、次煙煤或者煙煤所構成的燃料而言，揮發(fā)性氮的比例明顯比氮-焦炭中的比例大。
焦炭的顆粒保留在位于火爐的底部內的還原區(qū)域內，并且然后在氮-焦炭燃燒生成物中發(fā)現了分子氮N2。焦炭顆粒保留在還原區(qū)域內的時間基本上是每個顆粒大小的函數。最小顆粒以顆粒的形式很快離開該區(qū)，而這些顆粒由含有未燃燒的碳和剩余量的氮-焦炭的灰粉構成，而該灰粉的燃燒將在火爐3的頂部繼續(xù)進行。在這些顆粒通過在火爐頂部上打通的導管7吸入到旋流器4內之后，當它們經過旋流器通過導管5重新噴射到火爐的底部時，所述顆粒燃燒得更加充分。
因此，旋流器的收集效率應盡可能的高以致可以實現最佳再循環(huán)，這是重要的。
揮發(fā)性物質、尤其是揮發(fā)性氮非?？焖俚仉x開還原區(qū)從而到達位于所述還原區(qū)上方并被逐漸供給空氣的區(qū)域，如圖1、3和5中的交錯輔助空氣進AS1和AS2所表示的一樣。輔助空氣的交錯噴射繼續(xù)進行直到明顯獲取氧化條件為止，這些氧化條件導致過大的空氣系數λ，如圖2所示一樣，該過量空氣系數λ一般位于1.15到1.30的范圍內，如1.2。尤其在易反應的燃料進行燃燒時，明顯氧化的、在大氣中的燃燒尤其導致了氮氧化物的產生，該氮氧化物的主要來源是揮發(fā)性氮，它的次要來源是含在局部未燃燒的焦炭顆粒中的剩余氮-焦炭。
用來實現氮排放的初始減少的常規(guī)技術是在火爐3的“自由板(free board)”部分選擇總體上較小的過量空氣，固體顆粒在該部分內進行循環(huán)。但是，這種技術具有它的局限性，因為它具有這樣的缺點尤其從與管子所形成的壁進行熱交換和燃燒效率的觀點來看，對火爐3的循環(huán)流化床的工作產生不利影響。借助于例子已經觀察到總體過量空氣從1.25到1.30范圍的系數λ1減少到1.15到1.20范圍內的系數λ2可以導致顯著減少大約20％的氮氧化物(NOx)的排放。但是，這種減少伴隨有0.5點到1點的燃燒效率的不利減少。
如上所示一樣，本發(fā)明使得調整上述類型的燃燒系統(tǒng)的總體化學計量成分成為可能，因此減少了氮氧化物(NOx)排放，如下面所解釋的一樣。
為此，如圖5所示一樣，“后期”空氣噴射進AT設置在導管7中，而導管7位于旋流器4的進口上游處。與現有方法相比，這種噴射使得火爐3內的空氣在一個更加顯著的范圍內交錯。它傾向于使之具有火爐3的區(qū)域，在該區(qū)域內使顆粒在弱氧化氣氛中保留相對較長的時間。
圖4中的圖線表示了這樣的一個例子在圖5示意性示出的燃燒系統(tǒng)的高度上過量空氣系數λ如何變化，在該圖中，后期噴射進AT根據本發(fā)明來設置。如圖頂部所示一樣，可以得到系數λ的變量。在所提出的例子中，這種系數在后期空氣噴射產生它的作用的區(qū)域內具有值1.2，即它所具有的值與圖3示意性所示的傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)的火爐整個頂部所具有的值相同。
在設置有本發(fā)明的后期空氣進AT的燃燒系統(tǒng)中，除了確信后期空氣噴射效果處于圖4和5所示的情況下的區(qū)域之外，在幾乎整個火爐上部上，即幾乎在系數λ等于圖2中的1.2的所有的部分上，系數λ保持接近0.95到1.15的范圍。
如圖6和7所示一樣實現后期噴射進口，而圖6和7示出了各自在側視圖和沿圖6所示方向F看去的視圖中的、把火爐3的頂部互連到旋流器4的進口的導管7。
決定通過進入口AT噴射的后期空氣流量，從而在“自由板”部分上得到最佳過量空氣系數λ，而固體顆粒在該自由板上進行循環(huán)。例如，把流量選擇成位于接近總量燃燒空氣流量的5％到30％的范圍內。
后期噴射空氣最好是新鮮的熱空氣。例如，它的溫度大約為200℃到400℃。例如，它可以來自位于所述循環(huán)中的空氣加熱器(未示出)的下游處的輔助空氣供給循環(huán)中。在燃燒系統(tǒng)的一個或者多個旋流器的上游處噴射該熱空氣。它可以通過傳統(tǒng)空氣噴射器(未示出)來噴射，該傳統(tǒng)空氣噴射器通過圖6和7示意性所示出的噴孔8通到導管7中。這些噴射器、尤其是它們的噴孔8最好設置成這樣后期空氣噴射改善了通道，固體顆粒沿著這些通道向著旋流器的外壁進行移動，因此在通過旋流器作用來收集它們之前，它們施加了向下垂直力。通過旋流器4或者可選擇地通過一組旋流器來產生該作用。借助于后期空氣噴射作用在導管7中運動的通道上來提高吸出火爐的顆粒在旋流器中的收集效率。這種收集效率的提高導致了固體燃料的燃燒效率的提高。
在旋流器中，在首先來自火爐中的廢氣(該廢氣具有較少量的殘余氧成分和任意具有明顯的未燃燒氣體(如co)成分)和第二次后期新鮮空氣之間產生強有力的混合，因此使得實現未燃燒氣體的燃燒成為可能。
在一個實施例中，后期空氣噴射噴孔8設置在構成內壁的導管7的垂直壁上。在這個例子中，它們分成兩排，把一排后期空氣噴射噴孔8設置在它們通過的導管7的頂部上也是可能的。最好選擇各種噴孔8的形狀和布置，以致由噴孔8所形成的設置橫向延伸到最大范圍。
在替代實施例中，在至少一些后期空氣噴射噴孔8中設置添加物噴射器(additive injectors)(未示出)。例如，在提供選擇性非催化還原(SNCR)時，這些添加物噴射器可以是硝酸鹽還原添加物噴射管子。以高速噴射后期空氣有利于添加物穿透進大量廢氣中，添加物被噴射進大量廢氣中。
權利要求
1．一種改善在循環(huán)流化床型的系統(tǒng)(1)中所進行的燃燒的方法，該系統(tǒng)包括火爐(3)，該火爐伴隨有至少一個旋流器(4)，該火爐特別用來把能量輸送到發(fā)電設備中的熱交換器(2)中，并且該系統(tǒng)使用插入到火爐底部上的燃料進行工作，在火爐底部上形成還原氣氛并且燃料進行熱分解從而分解成兩個相即固相，它由焦炭的顆粒和來自原始燃料的氮-焦炭組成；和氣相，該氣相含有揮發(fā)性物質，并且尤其含有在原始燃料中的剩余氮，這兩種相在連續(xù)進行燃燒的火爐內部升起來，同時留下了未完全燃燒的顆粒，借助于旋流器的作用這些未完全燃燒的顆粒被吸收并且返回到火爐的底部，除了在火爐底部進行初始空氣噴射(AP)及在產生還原氣氛的底部區(qū)域上方的火爐內產生氧化氣氛所進行的至少一次輔助空氣噴射(AS1、AS2)之外，所述方法提供了“后期”空氣噴射(AT)，所述方法的特征在于它采取措施是，在火爐頂部和旋流器的進口之間所噴射出來的后期空氣作用下，改善由旋流器作用所吸收的顆粒的通道，從而增加了旋流器的收集效率，并且因此通過燃燒那些仍未燃燒的顆粒來增加該系統(tǒng)的燃燒效率。
2．如權利要求1所述的方法，其特征在于借助其引起的輔助混合作用，上述新鮮的熱空氣的后期空氣噴射用來改善含在來自火爐的廢氣中的未燃燒氣體的燃燒。
3．如權利要求1或2所述的方法，其特征在于在上述旋流器入口的上游處所噴射出來的后期空氣流量被選擇成在輸送到該系統(tǒng)中進行燃燒作用的總空氣流量的約5％到所述總空氣流量的約30％的范圍內。
4．如權利要求1到3任一所述的方法，其特征在于初始空氣噴射、輔助空氣噴射和后期空氣噴射是這樣的它們導致了過量空氣系數λ，這些系數λ各自是在氣氛是還原氣氛的該區(qū)內的火爐下部處大約為0.5；在氣氛是弱氧化氣氛的、位于上述部分上方的火爐的上部處為0.95到1.15的范圍；在后期噴射產生它的作用的超過所述上部處為1.15到1.3。
5．一種循環(huán)流化床型的燃燒系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括火爐(3)，與該火爐有關的至少有一個旋流器(4)，該火爐尤其用來把能量輸送到發(fā)電設備中的熱交換器(2)中，并且它使用插入到火爐底部處的燃料進行工作，而該火爐底部處，產生了還原氣氛并且燃料進行熱分解從而分離成兩個相即固相，它由焦炭顆粒和來自原始燃料的氮-焦炭來組成；和氣相，該氣相含有揮發(fā)性物質，并且尤其含有在原始燃料中的剩余氮，這些顆粒和揮發(fā)性物質在連續(xù)進行燃燒的火爐內部升起來，同時留下了未完全燃燒的顆粒，借助于旋流器，這些未完全燃燒的顆粒被吸收并且返回到火爐的底部，所述系統(tǒng)的特征在于它包括裝置，它用來實現“后期”空氣噴射(AT)，從而噴射“后期”的、新鮮的熱空氣，該裝置設置在火爐的頂部和旋流器的入口之間，并且這些裝置被構成作用在吸收顆粒的通道中，從而增加旋流器的收集效率；裝置，它用來實現進入到火爐底部中的初始空氣噴射(AP)，從而產生還原氣氛；及裝置，它用來實現輔助空氣裝置(AS1、AS2)，從而在位于產生還原氣氛的底部區(qū)域上方的火爐區(qū)域內產生氧化氣氛。
6．如權利要求5所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于上述后期空氣噴射裝置包括噴射器，這些噴射器通到導管(7)中，通過導管，火爐的頂部連接到旋流器的入口，所述噴射器通過設置在導管內壁上的噴孔(8)通到所述導管中；
7．如權利要求6所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于上述后期空氣噴射裝置包括噴射器，經過其頂部這些噴射器通過設置在導管上的噴孔通到所述導管。
8．如權利要求5到7任一所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于通過為上述系統(tǒng)輸送輔助空氣的回路，上述后期空氣噴射器被供給來自系統(tǒng)的空氣加熱器中的新鮮的熱空氣。
9．如權利要求5到8任一所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于添加物噴射器設置在后期空氣噴射器噴孔內，從而通過所述噴孔穿過導管，并且有利于添加物穿過大部分廢氣，而添加物噴射到該廢氣中。
全文摘要
該方法可以應用到循環(huán)流化床型燃燒系統(tǒng)中,該系統(tǒng)包括火爐(3)和旋流器(4),并且該系統(tǒng)使用插入到火爐底部上的燃料進行工作,在火爐底部上形成還原氣氛并且燃料進行熱分解從而分解成兩個相:即固相,它由焦炭顆粒組成;和氣相,該氣相含有揮發(fā)性物質。采取措施從而在不同的平面上實現初始空氣噴射(AP)、輔助空氣噴射(AS1、AS2)和“后期”空氣噴射(AT)。在火爐頂部和旋流器的進口之間所噴射出來的后期空氣被用來提高旋流器收集到達火爐頂部的未燃燒顆粒的效率,并且因此提高了該系統(tǒng)的燃燒效率。該系統(tǒng)包括空氣噴射裝置,該空氣噴射裝置使得實現該方法成為可能。
文檔編號F23C10/00GK1299940SQ0013555
公開日2001年6月20日 申請日期2000年12月14日 優(yōu)先權日1999年12月14日
發(fā)明者法蘭西斯·梅洛比埃爾, 帕特里克·迪謝 申請人:Abb阿爾斯托姆燃燒動力公司