[发明专利]用于使旋风燃烧室里的氮氧化物(NOx)排放物降至最少的系统和方法

说明书

本发明是按照由美国能源部授予的No.DE-FC26-05NT42301合同在美国政 府资助下完成的。美国政府对本发明保有某些权利。

本发明的领域和背景

本发明总地涉及装备有例如排渣式Cyclone^TM(旋风)燃烧室的燃烧系统， 这种旋风燃烧室构造成能够在分阶段燃烧运行过程中通过选择性地应用氧气 使氮氧化物(NOx)的形成降到最少，本发明还涉及本发明的能够降低氮氧化 物(NOx)排放物的燃烧系统的操作方法。

旋风锅炉属于最有效的商业运行烧煤系统之列，在美国，当今其占烧煤锅 炉生产量的约8％。顾名思义，旋风燃烧室典型地利用旋风的流动特性以高速 (～200+mph)工作。图1表示出旋风炉膛锅炉的基本布置。来自加煤器的被 粉碎的煤(粒度小于美国4号筛)和初级空气(PA)在燃烧器15内在旋风燃 烧室的前心处旋转。在某些应用场合中，将第三级空气(TA)导入燃烧器15 的这个中心以控制火焰在旋风燃烧室里的位置。随着煤/空气混合物进入旋风 筒，它遭遇来自被加热的(＞500°F)次级空气5的高速涡流。粉煤颗粒在悬浮 中燃烧并随同热的气体流出中央再进入喉锥18。由于离心作用，大的颗粒被甩 向旋风筒的内壁，在那里它们被捕获在熔化的炉渣层内并在其中燃烧。熔化的 矿物质(炉灰)从位于旋风燃烧室再进入喉锥18下方的旋风燃烧室炉渣排出 口16流出，而流进锅炉的初级炉膛，并从炉膛的炉渣排出口19经由一段短的 垂向溜槽落入装满水的水槽20，如图1所示。大约70-85％的煤灰作为炉渣 离开旋风燃烧室。旋风炉膛和锅炉由于激烈的燃料/空气混合而产生很高的 NOx排放物。由商业旋风燃烧发电厂产生的未经控制的NOx排放物典型地处 于1.0-1.7磅NOx/百万Btu(英国热量单位)范围内。

必须审慎地选择用于旋风燃烧的煤，以确保熔化的炉灰能够流动并稳定地 从炉膛排出。对于烧烟煤和亚烟煤，一般建议分别采用炉渣粘度系数或T₂₅₀值 为2450°F(1616°K)和2300°F(1533°K)的旋风燃料。T₂₅₀表示炉渣能够 在250泊的粘度下流动的温度。有时，炉渣可能凝固在旋风燃烧室或炉膛内而 需要进行特殊的操作或机械干预，以便达到可接受的排渣状态。旋风燃烧室的 耐火材料衬里必须能够维持高的燃烧温度和恰当的传热性能。

分级供给空气

化石燃料在空气中的燃烧会由于燃料中的氮含量的氧化和/或燃烧空气中 的大气氮的氧化而产生NOx(NO+NO₂)。分级供给空气是一种商业上采用的 用于降低NOx的方法，其中通过使总的燃烧空气的一部分改变方向并将其经 由过度燃烧空气(OFA)口再导入下游而使主燃烧区以富燃料(亚化学计量配 比)工作。典型的旋风燃烧化学计量配比范围是从0.9到1.0并补加OFA，于 是总化学计量配比被提高到1.10到1.25。在旋风燃烧装置里进行的空气分级供 给燃烧产生的NOx一般比空气不分级供给空气的燃烧低40-70％。

燃烧的化学计量或称化学计量配比(SR)是定义为实际的氧化剂对燃料质 量之比除以化学计量的(理论上的)氧化剂对燃料质量之比，表达如下：

对于已知的燃料，化学计量的氧化剂对燃料质量之比可从氧化剂和燃料的 化学成份直接计算。实际的氧化剂对燃料质量之比可从所希望的运行状态来计 算。基于这一定义，化学计量的贫燃料的以及富燃料的运行分别对应于SR＝ 1.0、SR＞1.0、以及SR＜1.0。化学计量的运行对应于理论的运行状态，在这一 状态，氧化剂正好足以将燃料完全氧化。在实际的燃烧中，燃料/氧化剂混合不 完好导致需要过量的氧化剂水平来烧尽可燃物。可将过量的氧化剂直接添加到 燃烧区或通过在燃烧区下游的炉膛开孔喷入。

烟气再循环

导入富燃料、亚化学计量配比的燃烧区的烟气再循环(FGR)会破坏再循 环气流中的NOx含量并将其转变成N₂，从而降低烟道里的净NOx排放量。但 是，流进旋风炉膛的FGR也可能会抑制燃烧反应而使温度降低到熔化煤灰的 推荐数值以下。

燃料补烧