[发明专利]燃烧系统和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年12月11日提交的美国临时专利申请60/874326的优先权，该申请的全文通过参考引入本文。

联邦政府赞助研究/发展声明

本发明是在政府合同RCD1459下计划的。美国联邦政府能源部可对本发明保留某些权利。

技术领域

本发明主要涉及燃烧如煤的矿物燃料的方法和设备，具体地，涉及减少在燃烧过程中一氧化氮形成的新的有效方法和设备。

背景技术

矿物燃料的燃烧产生氮的氧化物，如NO和NO₂，统称为NO_X。在大气层中排放NO_X日益成为健康和环境关注的问题。美国环境保护机构(EPA)已确定的NO_X排放规则是必要的，合适的，因此急需开发更有效的NO_X排放的控制技术。

在传统的矿物燃料燃烧器中，燃烧空气和矿物燃料混合后送至炉内的主燃烧区。在燃料中自然存在的氮和/或燃烧空气中的氮分子氧化时形成燃烧的副产品NO_X。

燃料再燃烧是一种能够减少NO_X排放的技术。这种技术包括在富氧主燃烧区上提供贫氧二次燃烧的再燃烧区。供至再燃烧区的补充燃料产生烃基、胺和氰类物质，它们与引入的主燃烧产物反应，将NO_X转化成N₂。由位于再燃烧区上方的火上风(overfire air)(OFA)喷口引入额外的空气，燃烧剩余的燃料和可燃气体。

燃料再燃烧的应用通常利用烟道气循环(FGR)技术来减少NO_X排放。来自锅炉下游的烟道气经管道循环返回至二次燃烧区作为贫氧载气，以保持富燃料环境，提高燃料穿透度并与主燃烧区的气体和产物混合。使用来自锅炉出口下游的烟道气作为载气引起的骤冷进一步抑制在再燃烧区NO_X的形成。

燃粉煤锅炉和类似装置一般使用二种或三种气态物流。第一种是第一级空气流，通常占引入燃烧室的气体总量的约10-20％。第一级空气的主要目的是将燃料(如粉煤)传送至燃烧器。因此应保持足够高的流速以达到颗粒传输的功能。基于这一主要目的，传输气体不需含氧化剂，但考虑到成本和易得性一般选用空气。

第二种物流通常是以燃烧器水平(burner level)注入的空气流，大约或接近第一级空气/燃料混合物。此物流的主要目的是提供燃料燃烧的氧化剂。由于成本和易得性，这一物流一般采用空气。

通常用于空气分段应用的第三物流喷射至二次燃烧区中燃烧器的下游。第三物流一般通过二次空气(OFA)喷口注入，由于成本和易得性，该第三物流通常为空气。在空气分级施用中，使用OFA喷口已显示NO_X减少了约20-35％。通常分级涉及在主燃烧区富燃料，以约0.75至约0.95范围的亚化学计量下的燃烧，以及二次燃烧区贫燃料，以约1.10至约1.25的超化学计量(super-stoichiometric)的燃烧操作。

另一种减少NO_X的技术包括在通常富氧化剂的主燃烧区上方注入空气和补充矿物燃料，化学计量比至少为1.0，以形成局部贫氧的再燃烧区。补充燃料产生活性物质，它们抑制了NO_X产生。一般将再燃烧燃料注入烟道气温度为约1250℃至约1650℃(约2300-3000)的区中，显示减少NO_X的效率通常随注入温度的升高和在再燃烧区停留时间的延长而提高。燃料再燃烧技术可产生最高达60％的NO_X减少，取决于商业化系统。随后可通过火上风喷口在再燃烧区使方引入额外的空气，燃尽可燃物质。

美国专利申请公开第2006/0257800A1号(Sarv)描述了一种用再燃烧的燃烧器来减少NO_X活性化合物的方法。燃料通过氧燃烧的燃烧器(oxy-fired burner)与氧气燃烧，所述氧焰燃烧器位于主燃烧区下游的富燃料再燃烧区，所述主燃烧区以空气为氧化气体，以贫燃料的方式燃烧。

发明内容

简言之，本发明提供一种矿物燃料燃烧的方法和设备，其中，明显减少了燃烧副产物NO_X，并可潜在地消除对下游技术如SCR和SNCR的需要。