CN101479530B - 灰分中未燃烧碳的增氧燃烧 - Google Patents

Abstract

通过将灰分流夹带入氧化剂流中并使未燃烧碳与氧化剂中的氧气燃烧来降低灰分中未燃烧碳的含量。

Description

灰分中未燃烧碳的增氧燃烧

发明领域

本发明涉及处理灰分以减少灰分中未燃烧碳和碳化合物的含量。

发明背景

当诸如煤或石油焦等固体燃料用于在炉子或锅炉中燃烧时，燃烧效率低常常会产生含有少量的未燃烧碳(“UBC”)的灰分(也称作“飞灰”)。当采用常规的基于燃烧的技术来减少氮氧化物(“NOx”)的排放量时，常常会加剧这个问题。这种通常通过引燃损失(LOI)测试来测量的未燃烧碳，会存在几个问题。首先，由于灰分中的未燃烧碳代表一部分燃料的未实现热值，这种热值的增量必须通过燃烧更多的燃料来弥补。其次(通常也是最关键的)，灰分可以用来代替混凝土中使用的一部分水泥，但是当灰分中未燃烧碳的含量超过某个阈值(典型地为3-6％)时，该灰分通常将不再适用于作为混凝土中水泥的替代物，这导致锅炉操作人员必须为处置灰分而花钱。这个问题由于如下事实变得进一步严重：当未燃烧碳的量增加时，必须处置的灰分的质量也随之增加。

虽然已经提出几种基于空气的处理方法来使残留的未燃烧碳燃烧至允许的水平，以允许灰分用作水泥替代物，但是这些方法常常是昂贵且极其复杂的。例如，目前可用的处理方法包括循环流化床装置，这会存在密集维修。经验还表明，这些处理方法局限于它们能够有效处理的未燃烧碳含量的范围内。虽然也已提出过将基于氧气的系统和增氧系统用于这些处理方法中，但它们也是非常复杂的系统，并在商业上具有有限的成功。

本发明提供本文所描述的优点在于一种方法，其在用于实施该方法的操作条件和装置方面较不复杂。

发明概述

本发明的一方面是一种降低含有未燃烧碳的灰分中碳含量的方法，其包括：

将含有未燃烧碳的灰分颗粒夹带(entraining)入含有超过21体积％氧气的气态氧化剂流中，形成所述灰分与所述氧化剂混合成的混合流(flowing mixed stream)，使该混合流通过燃烧室，混合流中的灰分中的未燃烧碳在燃烧室中燃烧产生夹带于包含燃烧产物的气流中的灰分产物流，所述灰分产物流具有降低的碳含量，

其中，被夹带入灰分颗粒的氧化剂流中含有的热量足以维持所述灰分中的未燃烧碳在所述燃烧室中的燃烧，但并未高到使灰分颗粒开始熔融，

任选地将额外的气态氧化剂提供入燃烧室，如果提供的话，使其与灰分中的未燃烧碳在未燃烧碳点燃后接触，并与灰分中的额外未燃烧碳或与燃烧产物进行燃烧，以及

从所述燃烧室中排出所述产物流，将其送入装置中，在该装置中将碳含量降低的灰分与所述产物流分离，从所述装置中得到碳含量降低的灰分和包含燃烧产物的气态产物流。

本发明的另一方面是一种降低含有未燃烧碳的灰分中碳含量的方法，其包括：

将含有未燃烧碳的灰分颗粒以及着火温度低于所述未燃烧碳的着火温度的固体可燃物颗粒夹带入含有超过21体积％氧气的气态氧化剂流中，形成所述灰分和固体可燃物与所述氧化剂混合成的混合流，使该混合流通过燃烧室，混合流中的固体可燃物和灰分中的未燃烧碳在燃烧室中燃烧产生夹带于包含燃烧产物的气流中的灰分产物流，所述灰分产物流具有降低的碳含量，

其中，被夹带入灰分颗粒和固态可燃物颗粒的氧化剂流中含有的热量足以维持所述未燃烧碳和固体可燃物在所述燃烧室中的燃烧，但并未高到使灰分颗粒开始熔融，

任选地将额外的气态氧化剂提供入燃烧室，如果提供的话，使其与灰分中的未燃烧碳在未燃烧碳点燃后接触，并与灰分中的额外未燃烧碳、与额外的固体可燃物或与燃烧产物进行燃烧，以及

从所述燃烧室中排出所述产物流，将其送入装置中，在该装置中将碳含量降低的灰分与所述产物流分离，从所述装置中得到碳含量降低的灰分和包含燃烧产物的气态产物流。

本发明在以下方法中有用：其中灰分中的未燃烧碳占燃烧室中正燃烧的可燃物总质量的至少50％的方法，以及其中除灰分中的未燃烧碳之外的燃料同时在燃烧室中燃烧，以致灰分中的未燃烧碳占正燃烧的可燃物的总质量的少于50％(例如将灰分送入燃煤锅炉或其它燃烧装置时)的方法。

本文所用的“未燃烧碳”指含碳固体，例如从含碳燃料的燃烧中残留的未燃烧的物质。

本文所用的物质在具有特定氧含量的大气(atmosphere)中的“着火温度”是与具有该氧含量的大气接触的产品在即使没有单独的点火源(例如火花点火器或引燃火焰)的情况下也开始燃烧的最低温度。

附图简述

图1为本发明方法的流程图。

图2为图1中所示装置的一个部件的横截面视图。

图3为本发明中有用的优选实施方式的横截面视图。

图4为本发明的优选实施方式的流程图。

图5为可实施本发明方法的装置的另一种实施方式的横截面视图。

发明详述

图1示出了可以实施本发明的一种装置。参照图1，提供燃烧室1，在那里进行灰分的点燃和燃烧。燃烧室1可以简单地为中空管或其它中空容器，其具有灰分和氧化剂流的合适入口以及经燃烧的灰分的合适出口。燃烧室1也可以是旋转窑或锅炉(例如发电的燃煤锅炉)。燃烧室1应足够大，以提供进行本文所述操作所需的容量和停留时间。其内部应能够承受本文所述的燃烧室内部达到的温度，因此燃烧室可由耐火材料制成，或衬有耐火材料，或被吸热材料(例如水或其它蒸发液体，或经历吸热反应的材料)管包围。

灰分流3通入燃烧室，优选在接近燃烧室的一端通入。按照本发明处理的灰分通常包含经历过高温处理(例如燃烧室或气化器处理)的含有含碳灰分的燃料的残留物。

优选在或接近送入灰分流3的燃烧室的同一端将氧化剂流5送入燃烧室。氧化剂流5含有超过21体积％的氧气，但是可以含有更高的氧气浓度，例如至少25体积％，至少50体积％，或甚至至少90体积％。图2示出了将灰分流3和氧化剂流5进料的一个优选实施方式。

任选地，还可将补充氧化剂7送入燃烧室1的内部。如下面更详细描述的，送入补充氧化剂，以使之与灰分在灰分中的未燃烧碳在燃烧室1内点燃并开始燃烧之后接触。补充氧化剂7可以包括空气、富氧空气或商购纯度的氧气。因此，补充氧化剂通常含有21体积％至99.9体积％的氧气。

可通过采用商购纯度的氧气，或通过将商购纯度的氧气与空气混合至达到所需的总氧气含量来获得氧化剂流和任何补充氧化剂流所需的氧气组成。

与送入燃烧室1的灰分中未燃烧碳的含量相比，物流9含有的灰分中未燃烧碳的含量被降低了。物流9还含有诸如二氧化碳和水蒸汽的气态燃烧产物，且可以包含一氧化碳。物流9从燃烧室1的合适出口(优选在送入灰分流3的那一端的相反端)流(pass)到分离装置11，包含灰分的固体与物流9的气态组分在该装置中分离。物流13表示从分离装置11中回收的固体。物流15基本上包含物流9中所有的气态组分。一种典型的优选分离装置11是常规设计的旋风分离器，只要它能够在物流9中输送进入装置11中的物料所处的高温下进行持续操作。如果需要的话，可以例如通过经由与另一物流的间接热交换进行的传热或通过骤冷将物流体9冷却。

参照图2，其示出了燃烧室1的内部。从任何合适的容器或输送系统(例如螺旋加料器或震动料斗)以灰分颗粒流3的形式提供灰分。灰分流3优选从氧化剂流5的上方进入燃烧室1的内部，以利用重力的帮助。

将氧化剂流5送入燃烧室1内部，其速度和动量足以将灰分流3中的灰分颗粒夹带入氧化剂流中，从而形成氧化剂和灰分的混合流。可基于进料速率和灰分流中粒度分布容易地确定有效实现将灰分夹带入氧化剂流中的氧化剂流5的最小速度。

优选将灰分流3和氧化剂流5独立地送入燃烧室1(如图2所示)，以便完全在燃烧室1内进行将灰分颗粒流夹带入氧化剂流。然而，在另其它实施方式中，可以在燃烧室本身的上游发生将灰分颗粒流夹带入氧化剂流。图5示出了一个这样的实施方式。

图2还显示了从形成氧化剂和灰分的混合流的下游将补充氧化剂7(如果采用的话)送入燃烧室1的内部，以便在灰分中的未燃烧碳在燃烧室1中被点燃并开始燃烧之后，使燃烧颗粒与补充氧化剂在该燃烧室中接触。如果需要的话，可以将补充氧化剂以一个或多个这样的物流形式送入燃烧室1。

送入燃烧室1的灰分颗粒流、氧化剂流以及一个(或多个)补充氧化剂(如果使用的话)流的相对质量流速应该是确定的，从而相对于灰分流中的未燃烧碳的量，氧化剂流和任何补充氧化剂流中送入的氧气总量中含有足够的氧气来使送入燃烧室1的灰分流中的未燃烧碳(可以是全部的或少于全部的未燃烧碳)燃烧。因此对一个或多个氧化剂流中的氧气量以及一个或多个氧化剂流的质量流速进行调节。虽然有时少于100％未燃烧碳的燃烧就足够了，但优选提供足够的氧气(为所送入的所有含氧气物流中所含的氧气总和)来燃烧灰分中所有的未燃烧碳。因而，优选送入足够的氧(以所送入的所有含氧气物流总和计)，以包含燃烧灰分中的全部未燃烧碳所需的氧气量的100％至105％或110％。

其中已夹带了灰分的氧化剂混合物流应含有足够的热量以使灰分和氧化剂的混合流中的未燃烧碳点燃，即开始燃烧(不管是在燃烧室中，还是在燃烧室的上游但在灰分已经夹带入氧化剂中之后)，并且在燃烧室中维持这种燃烧。这种热含量可以通过在氧化剂与灰分混合之前加热氧化剂来提供，或者通过将氧化剂和灰分与补充可燃物混合来提供，所述补充可燃物在燃烧室中点燃并燃烧，从而为灰分提供了额外的热量。然而，氧化剂和灰分的混合物的总热含量应低于夹带在氧化剂流中的灰分颗粒开始熔融，以致它们开始相互粘附的点。

灰分颗粒具有开始熔融并变得相互粘附的风险的温度可能在不同的灰分组成中有所不同，并且对于给定的灰分可容易地确定。避免颗粒开始熔融的情况需要考虑如下几个因素：包括氧化剂流首先与灰分颗粒接触时的热含量，以及燃烧室内的热含量，其转而受到灰分中的未燃烧碳燃烧时而放出的燃烧热、也在燃烧室中燃烧的任何其它物质放出的燃烧热以及对燃烧室壁的热损失(特别是如果通过所述壁进行传热，例如在发电锅炉中的循环水或蒸汽那样)的影响。因此，氧化剂流的热含量应足够低，即使当未燃烧碳与任何其它存在的燃烧物的燃烧热提高了氧化剂与燃烧着的灰分的混合物的热含量时，该混合物的热含量仍保持低于灰分颗粒开始熔融的点。

在例如通过将灰分夹带入温度高于室温的氧化剂流中来促进灰分的点燃和燃烧的实施方式中，可以通过几种方法中的任一种来提高氧化剂流的温度和热含量。可以通过使氧化剂流穿过(pass through)已经加热的室来对其加热，以便通过该室内表面的直接传热来对氧化剂加热，或者通过使氧化剂流穿过热交换器，在热交换器中通过来自更热的物流(例如来自另一燃烧操作的烟道气，或例如从分离器11以物流15回收的热气体)的间接热交换对该氧化剂流加热。

用于提供加热的氧化剂流的优选技术示于图3中。在该实施方式中，通过将燃料与氧气混合，并在一个室中燃烧与所述燃料的混合物中的一部分氧气来形成气态的热氧化剂流。从而未燃烧的氧气以热的氧化剂流从该室排出，该热的氧化剂流含有氧气和所述燃烧的产物。

参照图3，热喷嘴31包括一个室或喷枪，热的氧化剂流5从其中喷离。在本实施方式的实践中，将氧气浓度至少为30体积％(优选为至少85体积％)的氧化剂33提供入室34。最优选地，物流33中的氧化剂是氧气浓度为99体积％或更高的工业纯氧气。在室34内，氧化剂的初始速度一般在50到300fps范围内，并通常将低于200fps。

虽然室34内的氧化剂可通过任何合适的方式来加热，例如通过燃烧、电弧、电阻加热，或通过上述的热交换来加热，但图3示出了本发明的优选实施方式，其中室34中的氧化剂通过室34内的燃烧进行加热。在本发明的该优选实施中，经由燃料喷嘴37将燃料流36提供入室34内，燃料喷嘴37可以是通常用于燃料喷射的任何合适的喷嘴。燃料可以是任何合适的可燃流体，其例子包括天然气、甲烷、丙烷、氢气和焦炉气。燃料优选是气态燃料。也可以使用液体燃料，例如2号燃油，但是采用液体燃料比采用气态燃料更难保持良好的混合，并更难在室34内维持可靠且安全的燃烧。

提供进入室34内的燃料用室34中的氧化剂燃烧，以产生热量和燃烧反应产物，如二氧化碳和水蒸汽。在室34中，燃烧反应产物与剩余的氧气混合，从而为剩余的氧化剂(以物流体33送入)提供热量并提高其温度。优选地，将燃料流36以高速度(通常高于200fps，且一般在500到1500fps范围内)供入室34中。该高速度用来将氧化剂夹带入燃烧反应38中并因此形成稳定的火焰。该高速度进一步使燃烧反应产物和氧化剂夹带入燃烧反应中，因而改善热的燃烧反应产物与剩余的氧气在室34内的混合，从而更有效地加热剩余的氧气。

在室34内形成的加热了的氧化剂以热的氧化剂流5经开口35流出来。这种方式形成的氧化剂流5优选含有至少50体积％的氧气。以该方式形成的氧化剂流预期具有足以夹带灰分颗粒流的速度。该速度可根据需要进行调节，通过控制热的氧化剂流的温度(较高的温度和较高的速度相关)以及通过适当选定热的氧化剂流所通过的孔的尺寸来调节。关于形成热的氧化剂流和提供所需速度的这种方式的更进一步描述见U.S.专利No.5,266,024。

另外一种提供足以使得待燃烧的氧化剂和灰分的物流在燃烧室中点燃并燃烧且维持该燃烧的热量的方式是将氧化剂和灰分与补充可燃物混合，所述可燃物在燃烧室中点燃，并释放促进灰分中未燃烧碳的点燃和燃烧的燃烧热。图4出示了本发明的该实施方式。所有在图4和图1中均出现的编号数字具有本文关于图1所述的含义。

在图4中，将补充可燃物流41送入燃烧室1。“补充可燃物”是指在燃烧室1中可与氧化剂和含有未燃烧碳的灰分一起燃烧的物质。其例子实质上包括任何可用氧气燃烧并释放燃烧热的液体或固体物质。优选的物质包括任何固态的烃和/或碳水化合物。更具体的例子包括煤、焦炭、植物材料以及含有足量挥发性物质的固体废物。补充可燃物的最优选的实施方式为粉煤。本发明的该实施方式中所使用的补充可燃物的着火温度应低于送入燃烧室的灰分中未燃烧碳的着火温度。这种性质使得补充可燃物能提高灰分中未燃烧碳的点燃能力，从而提高维持未燃烧碳的燃烧的能力。

补充可燃物流41可与灰分进行预混，以使灰分与可燃物的混合流能够夹带入氧化剂流。或者，物流41可以与灰分流分开的物流形式送入燃烧室1，在这种情况下，灰分颗粒流和补充可燃物流各自被夹带入氧化剂流(在燃烧室1内，或在燃烧室1的上游)。补充可燃物(如果单独送入的话)，应在靠近氧化剂的入口处送入燃烧室1中，以使补充可燃物能够夹带入氧化剂流中。

可以维持或提高灰分中未燃烧碳在燃烧室1中点燃和燃烧的能力的任意量添加补充可燃物。以灰分流的质量为基准计，补充可燃物的优选量为最高15重量％。

在采用补充可燃物来促进灰分中未燃烧碳的点燃和燃烧的实施方式中，可不必在将氧化剂流与灰分流混合之前或混合后单独加热氧化剂流。

本发明在与燃煤燃烧装置(如燃烧煤以产生蒸汽和/或电力的电站锅炉)一起实施时也很有用。煤燃烧中形成的灰分，如果其含有的未燃烧碳的量达到人们想降低的量，就可以通过本文所述的方法进行处理以降低灰分中未燃烧碳的含量。上面关于图4所述的实施方式中，如果需要的话，可将适量的已在燃煤锅炉中采用的煤磨成粉煤，用作补充可燃物，其中粉煤用作物流41。可使一经与灰分分离就离开燃烧器1而得到的气体流15循环至燃煤锅炉，并用于预热进入的燃烧空气或氧气，或将其送入锅炉的燃烧室。

图5示出了另一种实施方式，其中本发明可与燃煤的燃烧系统(如锅炉)结合实施。该系统包括燃烧装置51，如燃煤锅炉。燃烧装置51内设有燃烧室53，其是一个能够承受高温的空间，通过在燃烧室53中进行的燃烧来达到所述高温。燃烧产物经由烟道55从燃烧室中排出。燃烧产生的热量可以各种方式中的任一种(图5中没有示出)使用，例如在围绕燃烧室53或横跨烟道55排列的管道中形成蒸汽。

燃烧器61穿过燃烧装置51的表面而提供。在实际的实施中，取决于该装置的大小，可在任何地方提供1到20个或更多个燃烧器。而且，燃烧器可安装在壁上，安装在顶上或安装在角落。经由燃烧器61将包含燃料和空气的混合物的燃料空气流62以及主要的空气流63送入，并在燃烧室53中燃烧。优选的燃料为粉煤，将其与运输空气混合，以形成燃料-空气混合物，然后被送至并穿过燃烧器。

如果需要的话，可将燃烧器配置为将第二，甚至第三空气流送入燃烧室53中。燃料和空气的燃烧形成焰底在燃烧器处的火焰65。将任选的过度燃烧的空气流64从火焰65的下游，在火焰65和烟气55之间送入燃烧室53。当采用多于一个燃烧器时，可用目前工业实践中常规使用的普通风箱或压力通风系统(未示出)送入空气流63(和过度燃烧的空气流64，如果使用)。另外，也可以用在燃烧器内或靠近燃烧器的合适的加料喷枪将少量的氧气送入火焰中。

注射器71接受灰分流73和氧化剂流75。灰分流73可包含经由燃烧器51送入的燃料在燃烧室53中燃烧所产生的全部或部分的灰分。在注射器71中将来自物流73的灰分夹带入来自物流75的氧化剂中。因此，将氧化剂流75以足够的速度进料，以根据需要夹带灰分。如上述实施方式的情况，其中夹带灰分的氧化剂流优选至少含有足以燃烧灰分中100％的未燃烧碳的氧气。

注射器71将所得的灰分和氧化剂的混合流送入燃烧室53中。在本发明的该实施方式中，经由燃烧器51送入的正在燃烧室53中燃烧的燃料点燃灰分中的未燃烧碳并维持其燃烧。其中夹带灰分的氧化剂流中的氧气也促进了未燃烧碳的点燃和燃烧。

本发明具有几个优点。

一个优点是通过将灰分颗粒夹带入氧化剂流中，则可在非常短的停留时间(通常为等于或小于两分钟，甚至为等于或小于一分钟)内将灰分中的未燃烧碳的含量降至低于2重量％，或甚至低于1重量％的水平。

另一个优点是不需要在燃烧室中保留惰性固体，例如在一些现有技术的工艺中据称为了传热或固体分散需要提供惰性固体。因而，在燃烧室中仅存的固体是送入并通过燃烧室的灰分，其在燃烧室中燃烧并作为产物流排出。

此外，燃烧室(如燃烧室1)的优点在于，根据本发明的方法处理灰分，可以在灰分仅通过燃烧室一次的情况下将未燃烧的碳含量降至最后所需的低水平。即，如果要求的话，不需要并且可以避免将全部或部分的从燃烧室得到的灰分循环返回燃烧室。

Claims (8)

1.一种降低含有未燃烧碳的灰分中碳含量的方法，其包括：

将含有未燃烧碳的灰分颗粒夹带入含有超过21体积％氧气的气态氧化剂流中，形成所述灰分颗粒与所述气态氧化剂混合成的混合流，使该混合流通过燃烧室，混合流中的灰分颗粒中的未燃烧碳在燃烧室中燃烧，产生夹带于包含燃烧产物的气流中的灰分产物流，所述灰分产物流具有降低的碳含量，

其中，被夹带入灰分颗粒的气态氧化剂流中含有的热量足以维持所述灰分颗粒中的未燃烧碳在所述燃烧室中的燃烧，但并未高到使灰分颗粒开始熔融，

任选地将额外的气态氧化剂提供入燃烧室，如果提供的话，使其与灰分颗粒中的未燃烧碳在未燃烧碳点燃后接触，并与灰分颗粒中的额外未燃烧碳或与燃烧产物进行燃烧，以及

从所述燃烧室中排出所述灰分产物流，将其送入装置中，在该装置中将碳含量降低的灰分颗粒与所述灰分产物流分离，从所述装置中得到碳含量降低的灰分颗粒和包含燃烧产物的气态产物流。

2.根据权利要求1的方法，其中将含有未燃烧碳的灰分颗粒以及着火温度低于所述未燃烧碳的着火温度的固体可燃物颗粒夹带入含有超过21体积％氧气的气态氧化剂流中，且其中所述灰分颗粒与所述气态氧化剂混合成的混合流还含有所述固体可燃物颗粒，且其中混合流中的固体可燃物和灰分颗粒中未燃烧碳燃烧产生夹带于包含燃烧产物的气流中的灰分产物流，所述灰分产物流具有降低的碳含量，

其中，被夹带灰分颗粒和固态可燃物颗粒的气态氧化剂流中含有的热量足以维持所述未燃烧碳和固体可燃物在所述燃烧室中的燃烧，但并未高到使灰分颗粒开始熔融。

3.根据权利要求1的方法，其中除所述灰分颗粒中的未燃烧碳之外的燃料同时在所述燃烧室中燃烧，并且所述灰分颗粒中的未燃烧碳占正燃烧的可燃物总质量的不到50％。

4.根据权利要求1、2或3的方法，其中通过将燃料与氧气混合，并燃烧如此形成的混合物中的一部分氧气来产生所述气态氧化剂流。

5.根据权利要求1、2或3的方法，其进一步包括在将所述灰分颗粒夹带入所述气态氧化剂流之前加热所述气态氧化剂流。

6.根据权利要求5的方法，其中在将所述灰分颗粒夹带入所述气态氧化剂流之前，通过来自所述气态氧化剂流所通过的被加热的室的传热来对所述气态氧化剂流加热。

7.根据权利要求5的方法，其中在将所述灰分颗粒夹带入所述气态氧化剂流之前，通过来自更热的物流的间接热交换来对所述气态氧化剂流加热。

8.根据权利要求1、2或3的方法，其中被夹带入所述灰分颗粒的所述气态氧化剂流含有至少50体积％的氧气。

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