CN101178178A

CN101178178A - 物质的燃烧方法及其系统

Info

Publication number: CN101178178A
Application number: CN 200610143692
Authority: CN
Inventors: 葛家贤
Original assignee: TAIWAN CLEAN ENERGY Tech CO Ltd
Current assignee: TAIWAN CLEAN ENERGY Tech CO Ltd
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2026-11-08
Also published as: HK1118596A1; CN101178178B

Abstract

本发明涉及一种物质的燃烧方法，包括下列步骤：将物质在低于其理论需氧量下加入第一反应气体，以产生底灰与第一产物，第一产物包括第一气态物质与飞灰；将第一产物在低于其理论需氧量下加入第二反应气体，以将第一产物的温度提高至飞灰的熔点以上，以产生熔渣以及第二产物，第二产物包括第二气态物质；将第二产物至少进行一次热回收，以及将第二产物至少进行一次氧化燃烧，以实现第二产物实质上的充分燃烧。其中，在最后一步骤的过程中不会大量产生氮氧化物。

Description

物质的燃烧方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种物质的燃烧方法及其系统，尤其涉及一种将可燃物质经气化后转换成气态可燃气的燃烧方法及其系统。

背景技术

当今人类取得能源的方式之一为通过燃烧可燃物产生热能，其所追求的目标在于在燃烧过程中提高热能的利用效率并降低因燃烧所产生的污染物。

理论上，如果要求高的热效率，那么过剩反应气体(excess oxidant，如纯氧、空气等)的量越低越好，以降低过剩反应气体所衍生的排气热损。但过低的过剩反应气体量易导致燃料燃烧不完全，不仅造成燃料的损失，也会导致产生如碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)等的污染物。另外，理论绝热温度随过剩反应气体量的增加而降低，高热值的燃料在过低的过剩反应气体量下燃烧，极易因高温而产生出大量的氮氧化物(NO_x)。

举例来说，当燃料(如天然气、燃油、粉煤等)极易与反应气体混合时，为降低排气热损，往往给予较低的过剩助燃空气，但燃烧产物的温度较高，导致产生氮氧化物污染物。

当燃料(例如块煤或废弃物等)不易与反应气体混合时，为使燃料充分燃烧，往往供给大量的过剩气体，因此增加了排气热损并降低了热效率。例如焚化炉为使废弃物能充分地燃烧，一般反应气体量至少达到理论需氧量的两倍。

另外，燃烧过程所产生的飞灰往往含有一些有害物质，如果要降低污染性与提高材料再利用的可行性，必须要使飞灰熔融形成融渣，燃烧温度需提高至灰份熔点以上(一般约达1300～1500℃)。在此高温下，若同时存在氧气与氮气将会产生氮氧化物(NO_x)污染物。

以废弃物焚化炉为例，为使废弃物充分燃烧，必须供给大量的助燃空气，因此无法使燃烧排气的温度(约800～1000℃)达到使飞灰熔融的温度。如果要使飞灰熔融，必须在焚化炉后设置熔融炉，加入额外的辅助燃料，以提高燃烧产物的温度。这种方式需要额外的外来能源，同时也因在存在过剩空气的情况下进行操作，而衍生出大量的氮氧化物污染。

公知技术的燃烧模式在热效率与降低污染物之间往往无法兼顾。因此，有必要提供一种物质的燃烧方法及其系统，以改善现有技术所存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种物质的燃烧方法，可在极低的过剩反应气体量下达到高燃烧效率与高热效率。

本发明的另一目的在于使可燃物的飞灰得以高温熔融，且不会因高温产生氮氧化物污染物。

本发明的又一目的在于提供一种物质的燃烧系统，可在极低的过剩反应气体量下达到高燃烧效率与高热效率。

为实现上述目的，本发明的物质的燃烧方法包括下列步骤：将物质在低于其理论需氧量下加入第一反应气体，以产生底灰与第一产物，该第一产物包括第一气态物质与飞灰；将第一产物在低于其理论需氧量下加入第二反应气体，以将第一产物的温度提高至飞灰的熔点以上，以产生熔渣以及第二产物，该第二产物包括第二气态物质；将该第二产物至少进行一次热回收，以及将该第二产物至少进行一次氧化燃烧，以实现该第二产物实质上的充分燃烧。其中，在最后一步骤的过程中不会大量产生氮氧化物。

为实现上述的目的，本发明的物质燃烧系统包括气化炉、熔融炉、至少一个热回收装置、以及至少一个反应气体供应装置。其中，气化炉将物质在低于其理论需氧量下加入第一反应气体，以产生底灰与第一产物，该第一产物包括第一气态物质与飞灰。该熔融炉将第一产物在低于其理论需氧量下加入第二反应气体，以将该第一产物的温度提高至飞灰的熔点以上，以产生熔渣以及第二产物，该第二产物包括第二气态物质。至少一个热回收装置用以进行热回收。至少一个反应气体供应装置用以实现第二产物实质上的充分燃烧，且不会大量产生氮氧化物。

本发明的有益技术效果在于，不仅可使物质有效地完全燃烧，而且当产生过剩反应气体时，其燃烧产物的温度也可降低至生成氮氧化物的温度以下，由此达到高的热效率，并能有效控制污染物的产生。

附图说明

图1为某物质的燃烧产物温度与反应气体当量比的关系图；

图2为本发明的物质的燃烧系统的第一实施例的示意图；以及

图3为本发明的物质的燃烧系统的第二实施例的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1 物质的燃烧热利用系统 10 气化炉

20 熔融炉 31、32 热回收装置

41、42、43、44、45 反应气体供应装置

50 装置 81 燃料进料器

82 震动筛选机 83 磁选机

84、85 储存槽 86 熔渣出口

87 冷却水槽

具体实施方式

为能更好地理解本发明的技术内容，特以优选的具体实施例为例对本发明说明如下。

以下请一并参考图1至图2，其示出了本发明的第一实施例。图1为某物质(热值LHV约3,300kcal/kg)的燃烧产物温度与反应气体当量比的关系图。图2为本发明的物质的燃烧系统1的示意图。

请先参考图1。在图1的关系图中，横轴表示反应气体当量比，反应气体当量比为实际反应气体量与理论需氧量的比值(ER)。纵轴表示燃烧产物的温度，以摄氏温度表示。当ER＝1时表示实际反应气体量等于理论需氧量，燃烧产物的温度可达到最高的理论燃烧温度。当ER＜1时表示供给的反应气体量小于理论需氧量，此时燃料无法完全燃烧，燃烧产物的温度随ER的增加而增加。当ER＞1时表示实际反应气体量大于理论需氧量，此时过剩的反应气体会使燃烧产物的温度降低，燃烧产物的温度随ER增加而降低。

图1共有三条曲线，表示在不同状态下某可燃物质的燃烧产物与ER的关系图，其中最上方的曲线代表该可燃物在绝热状态下的温度曲线，第二条曲线代表第一条曲线经热回收装置降低燃烧产物温度后的温度曲线，第三条曲线代表第二条曲线再次经热回收装置降低燃烧产物温度后的曲线。图中Q1、Q2、Q3、Q4与Q5分别表示A点之前、A点至B点之间、B点至C点之间、D点至E点之间，以及F点至G点之间所获得的反应气体量。图中所示的斜线区域表示氮氧化物生成区，该区域形成于高温有氧的环境下。

接着，请一并参考图1与图2，其中图1的A点至G点与图2的A点至G点为完全对应的关系。本发明可处理各类可燃物质，包括固态、液态及气态可燃物。不同性质的物质经由适当的燃料进料器81输送进入气化炉10。举例来说，输送固体燃料的燃料进料器81可为螺旋输送器，输送液体及气态燃料的燃料进料器81可为喷嘴。气化炉10位于图2中A点至B点之间的相对应的位置处，该气化炉可为各种形式的炉床，举例来说，气化炉10可为流体化床。

当固态或液态的可燃物在ER＜1的情况下，通过反应气体供应装置41加入反应气体量为Q1的反应气体(如氧气、空气、水蒸气等)后，达到图1与图2中的A点。其反应的过程为：物质的其中一部分氧化并释放出化学能，同时因高温将无法氧化的物质裂解转换成气态物质。如图1所示，当所给予的反应气体的反应气体量Q1越高时，产物的温度也会越高，可视可燃物的性质调整反应气体量Q1以控制进入气化炉10的反应温度。一般来说，进入气化炉10(进入A点)的温度介于500℃至900℃之间。物质经气化炉10作用后产生底灰与第一产物，第一产物包括第一气态物质与飞灰。物质经气化后大部分转换成低分子量的气体，如CO、CO₂、H₂、H₂O、CH₄、N₂等，以及小部分的焦油(Tar)、未燃碳及灰份等。这些物质会随气流的方向流出气化炉10，而较大的未燃碳及不可燃物(如金属、砂石等)会留在气化炉10的底部。残留的较大的未燃碳会继续与注入的反应气体(反应气体量Q1)继续反应，转换成气态物质，或直到随燃烧产物流出气化炉10为止。无法反应的不可燃物质(统称为底灰)在该高温状态下可有效地与可燃物质分离，可在气化炉10底部排出，接着经震动筛选机82及磁选机83分选后分别储存于储存槽84、85，较细的物质大多为可循环再使用的床砂，对于其余粒径较大的物质，可利用适当的分选设备，例如磁选机及涡电流分选机等设备，将燃料中所含的金属物质分选出来。由于该状态下处于缺氧的环境中，所以这些金属物质不易被氧化成金属氧化物，而极具回收价值。其它剩余的不可燃物质为非金属的无机物，也可回收当成级配再利用。

如图2所示，在气化炉10的末端(位于A点至B点之间靠近B点处)可通过反应气体供应装置42送入适量的反应气体(反应气体量Q2)，此时部分气态可燃物会与注入的反应气体进一步发生反应，可提高生成物的温度。并可将高分子量的气态物质、焦油及未燃碳等物质有效地进一步转化成低分子量气态的形式。此时为避免灰份软化在炉壁上而结渣，气化炉10内的温度通常保持在500℃至1000℃之间。

接着将气化炉10出口(于图2的B点)的高温可燃气体导入高温的熔融炉20。熔融炉20位于图2中B点至C点之间的相对应的位置处，可燃气体进入熔融炉20后可在其上方通过反应气体供应装置43(位于图2的B点至C点之间)注入适量的反应气体(反应气体量Q3)，利用控制注入的反应气体量，可控制熔融炉20的温度，将反应后的产物温度提高到灰份熔点以上(如图1的C点)，以产生熔渣以及第二产物，第二产物包括第二气态物质。该步骤不同于现有技术中燃烧熔融炉在过剩气体的情况下(图1的C’点)进行操作。当燃料具有一定的热值(约2,000kcal/kg以上)时，以空气作为反应气体可控制熔融炉20在ER＜1的情况下达到飞灰熔点以上的温度，飞灰等固态污染物可因此被熔融形成灰份产物(例如熔渣)。请参考图1，在本实施例中，为了达到飞灰熔点以上的温度，将温度升高至C点，此时的ER值约为0.6，温度约为1400℃。与公知技术相比，其到达图1的C’点时的ER值约为1.4，温度约为1400℃。在相同的滞留时间下，因反应气体量的不同，本发明的熔融炉20的体积不到现有技术的燃烧熔融炉的一半。除此之外，公知技术会产生氮氧化物(如图1的斜线所示区域，C’点即位于该区域中)，但本发明的方法不仅不会产生氮氧化物，而且其它高分子量的有机物质也会因为高温而转化成低分子量的第二产物。熔融的灰份熔渣则可经由熔融炉20下方的熔渣出口86流至其下方的冷却水槽87，可经冷却排出后再利用。在熔渣出口86处可注入适量的反应气体即可提高该处的温度，使熔渣得以顺利流出熔融炉20，而无需如现有技术那样需提供额外的燃料。在熔融炉20内的温度通常保持在1000℃至1600℃之间。

需要注意的是，在气化炉10的末端也可不设置反应气体供应装置42，而仅通过位于熔融炉20的反应气体供应装置43将所需的反应气体一次加到所需的量。

经由熔融炉20的产物(位于图1的C点)为高温可燃气体产物，此时如果继续供给反应气体，使其充分燃烧，则将会进入氮氧化物生成区。因此，为了避免产生氮氧化物，所以接着将第二产物至少进行一次热回收，以及将第二产物至少进行一次氧化燃烧，以实现第二产物实质上的充分燃烧。该过程通过控制温度或控制供氧量来实现不会大量产生氮氧化物的目的。其中最后一次进行氧化燃烧时供给足够的反应气体，使该第二产物实质上充分燃烧。以下针对该过程作进一步的说明。

将第二产物利用热回收装置吸收其显热，以达到降低温度的目的。经降低温度后的可燃气体(位于图1的D点)再通过反应气体供应装置给予适量的反应气体(反应气体量Q4)，将可燃气体所含的可燃部分进一步氧化，同时将其化学能转换成燃烧产物的显热，因而使燃烧产物的温度提高(位于图1的E点)。

此时，如果ER值已略大于1，表示供给的反应气体已足够且燃料充分燃烧，并且温度仍低于氮氧化物生成区时，此时就可完成本发明的所有步骤。此后继续利用公知技术的热回收装置回收燃烧产物中的显热。但如果经由反应气体供应装置44供给适量的反应气体后，ER值仍小于1，且温度接近氮氧化物生成区时，如果持续加入反应气体使其完全燃烧，将使燃烧产物的温度达到氮氧化物生成的温度(如第二条曲线的顶点)，此时需再次进行吸收可燃气体的显热，经降低其温度后(如图1的F点)再导入适量的反应气体的步骤。重复所述两个步骤，直到燃烧产物的实际反应气体量大于理论需氧量时，可燃成分完全燃烧，此时虽然有过剩氧气存在，但是其温度已低于氮氧化物产生的温度(如图1中的G点)，这样就可避免氮氧化物的产生。

在本实施例中，在图1的C点状态下，经由热回收装置31后成为图1中的D点状态，再经反应气体供应装置44后，成为于图1中的E点状态，然其ER值仍小于1，此时如果持续加入反应气体，将使燃烧产物达到氮氧化物生成的温度，因此，接着将可燃气体经另一热回收装置32吸收可燃气体的显热，降低其温度(如图1中的E点降温至F点)，接着再通过反应气体供应装置45导入适量的反应气体(反应气体量Q5)，使燃烧产物进一步氧化释放出化学能以提高温度，达到图1中的G点。此时，由于高温气体燃料与反应气体极易混合，因此可使燃烧产物在极低的过剩反应气体下达到完全燃烧。在本实施例中，最终燃烧产物的过剩气体量仅约10％，因此可有效地降低过剩反应气体的热排放损失，其热效率与传统燃烧模式G’点相同，但本发明的方法无传统燃烧模式会产生氮氧化物污染物的缺点。

需要注意的是，上述热回收装置与反应气体供应装置，可根据实际需要设置两组(如图2的第一实施例)、仅设置一组、或设置三组以上。热回收装置与反应气体供应装置设置的数量与待处理的物质特性有关。

另外需要注意的是，上述进行热回收与进行氧化燃烧的步骤除先后进行外，也可同时进行吸热与燃烧，此时将热回收装置与反应气体供应装置整合为同一装置。可同时进行吸热与燃烧的装置也可设置两个以上，其设置的数量与待处理的物质特性有关。

接着请参考图2。本发明的物质的燃烧系统1包括气化炉10、熔融炉20、热回收装置31、32以及反应气体供应装置44、45。其中气化炉10可在低于可燃物质理论需氧量下加入第一反应气体，以产生底灰与第一产物，第一产物包括第一气态物质与飞灰。熔融炉20可将第一产物在低于其理论需氧量下加入第二反应气体，以将第一产物的温度提高至飞灰的熔点以上，产生熔渣与第二产物，第二产物包括第二气态物质。热回收装置31、32可降低第二产物中气态物质的温度。反应气体供应装置44、45可加入反应气体使第二产物中的可燃气态物质进一步燃烧，以提高温度。通过热回收装置31、32与反应气体供应装置44、45，将第二产物至少进行一次热回收，以及将第二产物至少进行一次氧化燃烧，以实现第二产物实质上的充分燃烧。所述过程通过控制温度或控制供氧量来实现不会大量产生氮氧化物的目的。其中在最后一次进行氧化燃烧时供给足够的反应气体，使该第二产物实质上充分燃烧。由于各个装置所能产生的功效与说明与上述有关物质的燃烧方法的各个步骤相同，因此不再赘述。

需要注意的是，上述热回收装置与反应气体供应装置，可根据实际需要设置两组(如图2的实施例)、仅设置一组、或设置三组以上。热回收装置与反应气体供应装置设置的数量与待处理的物质特性有关。

每组热回收装置与反应气体供应装置，除先后设置外，也可整合为一体。如图3所示，为本发明的物质的燃烧系统的第二实施例的示意图。不同于第一实施例，本实施例具有可同时进行热回收与氧化燃烧的装置50。举例来说，装置50的结构可为反应气体供应装置的周围同时具有可进行热回收的水冷壁或锅炉管。需要注意的是，装置50也可设置两个以上，装置50设置的数量与待处理的物质特性有关。

综上所述，本发明的可燃物质的燃烧热利用方法及其系统，利用在缺乏氧气存在的情况下使灰份熔融，避免氮氧化物及戴奥辛等污染物的产生，以及使可燃物质进一步转化成低分子量的可燃气态物质，低分子量的可燃气态物质与反应气体极易混合，当气体燃料处于高温状态下，逐步使其燃烧，不仅可使物质有效地完全燃烧，当过剩反应气体产生时，其燃烧产物的温度也可降低至生成氮氧化物的温度以下。因此可达到高的热效率且能有效控制污染物产生的目的。

综上所述，本发明无论在目的、手段及功效方面，均具有迥然不同于公知技术的特征。应当指出，上述实施例仅为例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的范围。本领域的技术人员均可在不违背本发明的技术原理及精神的情况下，对实施例做出修改与变化。本发明的权利保护范围应如后述的权利要求书所限定的范围所述。

Claims

1.一种物质的燃烧方法，包括下列步骤：

步骤(A)：将一物质在低于其理论需氧量下加入第一反应气体，以产生底灰与第一产物，该第一产物包括第一气态物质与飞灰；

步骤(B)：将该第一产物在低于其理论需氧量下加入第二反应气体，以将该第一产物的温度提高至该飞灰的熔点以上，以产生熔渣以及第二产物，该第二产物包括第二气态物质；

步骤(C)：将该第二产物至少进行一次热回收，以及将该第二产物至少进行一次氧化燃烧，以实现该第二产物实质上的充分燃烧；

其中，该步骤(C)的过程中不大量产生氮氧化物。

2.根据权利要求1所述的物质的燃烧方法，其中在该步骤(C)中最后一次进行氧化燃烧时供给足够的第三反应气体，使该第二产物实质上充分燃烧。

3.根据权利要求1或2所述的物质的燃烧方法，其中在该步骤(C)的过程中不大量产生氮氧化物是通过控制温度或控制供氧量来实现的。

4.根据权利要求3所述的物质的燃烧方法，其中该步骤(C)中的热回收与氧化燃烧同时进行。

5.根据权利要求3所述的物质的燃烧方法，其中该步骤(C)中的热回收与氧化燃烧先后进行。

6.根据权利要求1所述的物质的燃烧方法，其中该步骤(A)中的温度介于500℃至1000℃之间。

7.根据权利要求1所述的物质的燃烧方法，其中该步骤(B)中的温度介于1000℃至1600℃之间。

8.一种物质的燃烧系统，包括：

气化炉，其将一物质在低于其理论需氧量下加入第一反应气体，以产生底灰与第一产物，该第一产物包括第一气态物质与飞灰；

熔融炉，其将该第一产物在低于其理论需氧量下加入第二反应气体，以将该第一产物的温度提高至该飞灰的熔点以上，以产生熔渣和第二产物，该第二产物包括第二气态物质；

至少一个热回收装置，其用以将该第二产物至少进行一次热回收；以及

至少一个反应气体供应装置，其用以将该第二产物至少进行一次氧化燃烧，以实现该第二产物实质上的充分燃烧；

其中，该第二产物在进行热回收与氧化燃烧的过程中不大量产生氮氧化物。

9.根据权利要求8所述的物质的燃烧系统，其中最后一次进行氧化燃烧时供给足够的第三反应气体，使该第二产物实质上充分燃烧。

10.根据权利要求8或9所述的物质的燃烧系统，其中不大量产生氮氧化物是通过控制温度或控制供氧量来实现的。

11.根据权利要求10所述的物质的燃烧系统，其中所述的热回收与氧化燃烧同时进行。

12.根据权利要求10所述的物质的燃烧系统，其中所述的热回收与氧化燃烧先后进行。

13.根据权利要求8所述的物质的燃烧系统，其中该气化炉中的温度介于500℃至1000℃之间。

14.根据权利要求8所述的物质的燃烧系统，其中该熔融炉中的温度介于1000℃至1600℃之间。