CN1072347C

CN1072347C - 降低NOx排出物的燃烧系统和燃烧方法

Info

Publication number: CN1072347C
Application number: CN95105545.3A
Authority: CN
Inventors: 伊科巴尔·F·阿卜杜拉
Original assignee: Foster Wheeler Energy Corp
Current assignee: Foster Wheeler Energy Corp
Priority date: 1994-06-13
Filing date: 1995-06-12
Publication date: 2001-10-03
Anticipated expiration: 2015-06-12
Also published as: JPH07332650A; DE69511482T2; JP2775673B2; US5553557A; EP0690266B1; EP0690266A1; ES2135665T3; CN1125307A; DE69511482D1; US5462718A

Abstract

一种使用选择性非催化还原以降低流化床反应器的烟道气中NOx的量的系统和方法。用通道将反应器和分离器相接，将用于降低来自反应器的烟通气中NOx量的反应剂送入通道，并使其通过通道进入分离器。将反应剂如尿素或氨水选择性地注入通道的富气区域靠近通道内壁的部位，由此使反应剂和烟道气达到高度混合而使反应剂和颗粒物质只维持低度混合。另外，使反应剂注入通道的位置处于离反应器比分离器更近的部位以延长反应剂的停留时间。

Description

降低NOx排出物的燃烧系统和燃烧方法

本发明涉及一种在流化床反应器中减少氧化氮(NOx)排出物的系统和方法。更具体地说，本发明涉及这样一种系统和方法，即将反应剂选择性地注入反应器中以减少反应器燃烧产生的气体产物中NOx的量。

流化床燃烧系统是公知的，其通常包含一个燃烧部分，在该燃烧部分中含氧气体如空气流动通过含有含氮碳质燃料如煤的颗粒床。床层中可能还加入了一些吸收剂颗粒如石灰石，石灰，或白云石用来吸收燃烧中产生的硫的氧化物。含氧气体使燃烧部分中的颗粒物质发生流化并促进颗粒燃料在相当低的温度下进行燃烧。通常，在蒸汽发生器中常使用这些类型的燃烧系统，其中在与流化床反应器进行的热交换中使冷却液，如水通过液流循环以产生蒸汽并能达到高的燃烧效率，强的燃料适应性，高的硫吸收量和相当低的NOx排出物量。

用于产生蒸汽的一种常用流化床反应器是“沸腾”流化床，其中流化的颗粒物质形成了一个流化床，该床具有相当高的密度和轮廓分明的或不连续的上表面。另一种更为常用的流化床是“环流”流化床，其中流化的颗粒物质形成一个低密度床，该床的密度低于通常的沸腾流化床的密度，并且在该流化床中初级气体的流化速度等于或高于沸腾床的流化速度。通过低密度床的初级气体带走大量的细颗粒物质以形成上部分散的颗粒床，且通常达到这样一种程度，即分散床中在初级气体中的颗粒物质基本上达到饱和。

通常，人们普遍认为使用高速的内部和外部的固体循环以使它们不受燃料放热方式的影响来操作这些环流流化床是有利的，这样，可使温度变化达到最小并使硫排出物的量维持在较低的水平。高速的外部固体循环是通过下述方式实现的，即在燃烧部分的出口处设置一个分离器如旋风分离器以接受来自燃烧部分分散床的烟道气和其夹带的颗粒物质。在分离器中将夹带出的颗粒物质从烟道气中分离出来，然后，将净化后的烟道气送入热回收部分，而将分离所得的颗粒物质循环回燃烧部分。这种循环提高了分离器的效率和延长了燃料和吸收剂颗粒的停留时间，其结果是更有效地使用了燃料和吸收剂颗粒，因而减少了燃料和吸收剂颗粒的消耗。

沸腾和环流流化床反应器还具有能控制环境污染的优点。例如从流化床反应器中排出的NOx量远低于由其它常用系统如燃气系统和燃煤电厂排出的NOx量。使用选择性非催化还原方法(“SNCR”)和选择性催化还原方法(“SCR”)可使NOx的排出量变得更低。在SNCR方法中，将反应剂如尿素或氨水注入反应器中使其与NOx进行反应生成N₂和H₂O。通常，可以通过反应器不同位置上的多个入口将反应剂注入反应器中，所说的反应器不同位置包括燃烧部分、分离器和与燃烧部分及分离器相连的通道。通过使用SNCR方法可使NOx的排出量达到更低的水平。

然而，SNCR方法仍存在有一定的问题。例如，由于不能有效地利用所加入的反应剂，往往无法使SNCR方法在减少NOx的量方面达到理想的程度。为了更有效地利用反应剂，需要使反应剂在系统中停留很长时间、使反应剂与含NOx烟道气高度混合、以及使反应剂与系统中颗粒物质低度混合。这些系统常常不能有效地利用反应剂。例如，那些将反应剂注入燃烧部分的系统和将反应剂注入通道上各个位置的系统可能存在反应剂与颗粒物质发生了过多的混合，而末能与含NOx的烟道气进行足够的混合的问题。同样，将反应剂注入分离器的系统可能存在反应剂在系统中的停留时间不够长以及反应剂与含NOx的烟道气末能进行充分混合的问题。

未能有效地利用反应剂将会导致过量地使用反应剂，从而也就增加了SNCR方法的成本。另外，加入过量的反应剂可能会产生新的环境污染问题。

因此，本发明的一个目的是提供一种操作低NOx排出量的流化床反应器的系统和方法。

本发明的第二个目的是提供一种使用选择性非催化还原方法来操作低NOx排出量的流化床反应器的系统和方法。

本发明的第三个目的是提供这样一种系统和方法，即在该系统和方法中能有效地利用反应剂来降低燃烧产生的气体产物中NOx的排出量。

本发明的第四个目的是提供一种上述类型的系统和方法，它能提高反应剂的停留时间、反应剂与燃烧产生的气体产物的混合以及减少反应剂与颗粒物质的混合从而高效地利用了反应剂。

本发明的第五个目的是提供一种上述类型的系统和方法，在该系统和方法中，选择性地将反应剂在特定位置注入系统中从而有效地降低了燃烧产生的气体产物中NOx的排出量。

为了实现上述及其它的目的，本发明的系统和方法通过选择性非催化还原降低了烟道气中NOx的量，所说的烟道气来自流化床反应器。用通道将反应器和分离器连接起来，将反应剂送入通道以降低烟道气中NOx的量，所说的烟道气从反应器流出，经通道流入分离器。将反应剂如氨水或尿素注入靠近通道上位内部的富气区域，由此使反应剂与烟道气达到了高度混合而使反应剂与颗粒物质只维持低度混合。另外，将反应剂在相比于其与分离器的距离而言更靠近反应器的位置上注入通道从而提高了反应剂在系统中的停留时间。以这种方式，使反应剂得到了充分的利用同时又满意地降低了烟道气中NOx的量。

对照本申请中的附图并参见下述对本发明优选的但只是说明性的实施方案将能更全面地理解上文中对本发明的简要描述及本发明的其它目的、特点和优点。

附图简要说明

图1是本发明流化床燃烧系统的局部正面示意图。

图2是本发明流化床燃烧系统的侧面示意图。

图3是取自图2中线3-3的放大的平面示意图。

图4是取自图3中线4-4的图2和图3系统的正视图。

图1-3中，标号10是指用于产生蒸汽的流化床反应器。反应器10包括一个壳体12，该壳体带有一个前壁14和与之相隔一定距离的平行的后壁16，二个垂直延伸到前壁和后壁上且相隔一定距离的侧壁18和20(图3)，顶部22和底部24，它们一起构成了实质上呈矩形的壳体。

用一多孔分布板26将壳体12的下部分隔成燃烧部分28和送气室30。将分布板26适当地固定在壳体12的下部并用来支承颗粒床，该颗粒床可以包含用于燃烧的含氮碳质燃料颗粒如煤；用于吸收在燃料颗粒燃烧过程中释放的SOx的吸收剂颗粒，其通常为含钙的硫吸收剂如石灰石、石灰、白云石；和燃烧产生的固体产物。

从常用的空气源(未示出)如压力送风鼓风机或类似的设备经导管31向送气室30输送流化用含氧气体如空气。通入送气室30的流化气体向上流动通过分布板26以协助燃烧并流化燃烧部分28中的颗粒物质。

由导管32向燃烧部分28提供颗粒物质，所说的颗粒物质可以包含含氮颗粒燃料如煤，和吸收剂颗粒。很明显可以使用多根导管32和任何数量的用于向壳体12的燃烧部分28提供燃料和吸收剂颗粒的设备。在已转让给本发明的受让人的美国专利4,936,770中公开了几种可以使用的设备的实例，该专利在此引用作为参考文献。

将通道34连接到壳体12的后壁16靠近顶部22和侧壁18的位置上。如图2和图3所示，该通道具有顶部或顶壁36、底部或底壁38、及外壁40和内壁42。这样设置通道34以使外壁40与壳体12的侧壁18对齐且处于同一竖向平面上，并使顶壁36与壳体12的顶部22对齐且处于同一水平面上。壳体12的后壁16上的开口44与通道34相接以使通道34与壳体12的燃烧部分28产生气流连通。鉴于上述原因，需设有一个入口46用于将反应剂通过通道的顶壁36注入到通道34的上部。入口46设置在壳体12的后壁16上的开口44附近，并且使该入口与通道34的内壁42的距离比其与通道34的外壁40的距离短。尽管以上描述的通道34基本上为矩形，但是，通道34可以有各种形状，包括但不仅限于园柱形。

旋风分离器48延伸至靠近壳体12并通过延伸至分离器48上部的通道34与之相接。分离器48外壁上的开口49与通道34相接以使通道34与分离器48产生气流连通，由此可以使烟道气和颗粒物质从壳体12通过通道34进入分离器48。分离器48的下部包括一锥形的料斗部分50，它的下端与导管52相连，导管52有一根延伸回壳体12的支管52a和一根从分离器向外延伸的支管52b。

分离器48接收烟道气和从燃烧部分28带出的颗粒物质，并用常规的操作方法从烟道气中分离夹带的颗粒物质。分离出的颗粒物质落入分离器48的料斗部分50中或通过支管52b排放出去。虽然在此处的说明中只使用了一个分离器48，但是很明显还可以有一个或多个附加的分离器(未示出)与反应器10一起使用。所用分离器48的数量和尺寸取决于蒸汽发生器的生产能力和经济因素。

分离后基本上不含颗粒物质的烟道气流经位于分离器48上面的通道54进入附图中用标号56表示的热回收部分。热回收部分56中设置有多个热交换面58A、58B、58C，所有这些热交换面是由多根热交换管形成的，这些热交换管在分离的烟道气通过热交换部分56的通道中延伸。如果需要，热交换面58A、58B、58C可用作再加热器、过热器、加温器等。在流经热交换面58A、58B、58C后，分离后的烟道气通过出口60而排出热交换部分56。

壳体12、通道34、分离器48、和热回收部分56的壁最好由多根用于形成邻接气密结构的叶片相互连接的，相隔一定距离的平行管所构成。由于其是一种常规结构，所以未使其在附图中示出或对其作更为详细的描述。每一根这种叶片管的两端分别连接到水平放置的上集管(header)和下集管(未示出)。

将上汽锅(steam drum)(未示出)设置在壳体12、通道34、分离器48和热回收部分的上面。上汽锅接收来自加料管的冷却液如水，并利用多根降液管和由上汽锅延伸出来的管子与相连的加料器、上升管、集管等一起建立了一条液流回路，所说的这条液流回路包括构成上述壁的翼型管和热回收部分56中的热交换面58A、58B、58C。使水按预定的程序流过上述液流回路以使其转化成蒸汽并用燃烧颗粒燃料产生的热来加热所说的蒸汽。

在操作中，将颗粒物质经导管32(图2)送入燃烧部分28，所说的颗粒物质包括含氮碳质燃料颗粒如煤，和吸收剂颗粒，其通常为含钙的硫吸收剂如石灰石、石灰、或白云石。将来自外部气源的含氧气体如空气，在相当高的压力下，经导管31送入送气室30并使其向上流动通过分布板并以相当高的流化速度流化燃烧部分28中的颗粒物质。用点火燃烧器(未示出)或类似物点燃燃料颗粒，此后，燃料颗粒会由于燃烧部分28中的热而自燃，并由此产生了燃烧的气体产物和固体产物。

然后控制流化气体的速度以在燃烧部分28的下部保持一个密集的颗粒床，并使流化气体向上流动或从密集床中带走一定量的颗粒物质以在密集床的上面形成一个分散床。

流化气体与燃烧的气体产物混合形成了烟道气，该烟道气与夹带的颗粒物质一起向上流动并通过燃烧部分28的上部区域。从燃烧部分28流出的烟道气和至少部分夹带的颗粒物质经通道34进入分离器48。在分离器48中，从烟道气中分离出颗粒物质并使其落入分离器48的料斗部分50中，然后，再使这些分离出的颗粒物质经导管52通过支管52a循环回燃烧部分28或经导管52通过支管52b排放出去。

分离的烟道气经导管54从分离器48中排出并流入热回收部分56中。在热回收部分56中，分离的烟道气在经出口60排出之前流经热交换面58A、58B、58C。

水经加料管进入上汽锅，然后流过液流回路，由此利用燃烧产生的热使水转化成蒸汽并使蒸汽过热。

在来自燃烧部分28的烟道气和夹带的颗粒物质一起通过开口44进入通道的过程中，颗粒物质趋于向通道34上位外部移动，而含有不需要的NOx的烟道气更趋于向通道上位的内部集中。由此，在通道上位内部形成了一个富气区域。

将用于降低NOx含量的反应剂如氨水或尿素选择性地注入通道的富气区域。所选的反应剂通常都具有提供NH₂基团的能力，该NH₂基团通过与NOx一系列的络合反应生成了N₂和H₂O。将反应剂注入通道34的富气区域，且位于离通道34的外壁40比离通道34的内壁42更近的通道上部，如此，可以使反应剂和含有NOx的烟道气高度混合，而避免了反应剂与通道34上位外部中的颗粒物质发生高度混合。向通道34注入反应剂的位置也靠近开口44，由此可以延长反应剂的停留时间。反应剂与烟道气的高度混合，与颗粒物质的低度混合，及反应剂在系统中长的停留时间使反应剂得到了有效的利用，同时极大地降低了烟道气中NOx的含量。

上述系统和方法具有如下的优点：例如在充分利用昂贵的反应剂的同时降低了NOx排出物。另外，也避免了由于过量使用反应剂而带来的问题。反应剂的选择性注入从生产和操作的简单及成本上来看也同样具有优点。

很明显在不超出本发明范围的情况下，可以对本发明的系统和方法作出各种改进。例如，反应剂的注入位置可以是沿通道34上的任何位置，只要将反应剂注入靠近通道34上位内部的富气区域即可。因此，注入部分46可以穿过通道34的上部36、下部38、外部40或内部42的壁并延伸进入通道34或延伸至通道壁为止。虽然通道34优选的是由有翼的冷却管所构成，但是，通道34可以具有任何常见的结构。另外，分离器48可以是(但不必需是)旋风分离器和一个或多个与燃烧部分相连的分离器。虽然，本文中仅详细讨论了单一流化气体气源的情况，但是，很显然本发明的系统和方法可用于多级燃烧，在该多级燃烧系统中将流化和燃烧气体以不同的量，在不同的位置上送入燃烧部分。

其它的改进、变化、和替换都包含在上述的公开内容中，在一些实例中可以在不使用其它相应特征的条件下使用本发明的某些特征。上述说明书和附图为本领域的普通技术人员建议了有关对于公开的实施方案的各种改进及发明的选择应用。因此，本申请的权利要求可以要求一个较宽的保护范围且又与本发明的范围相适应。

Claims

1．一种降低NOx排出物的燃烧系统，包括：

一个用于燃烧含氮燃料的壳体；

一个通道，该通道的一端与所说壳体的上部相接并与其产生气流连通，所说的通道具有一顶部、一内壁部分、和一外壁部分；和

用于注入反应剂的装置，该装置将用于降低烟道气中NOx量的反应剂通过所说通道的顶部注入系统中，所说的烟道气从所说的壳体中流出并流经所说的通道，其特征在于用于注入反应剂的装置这样设置，使得所注入的反应剂进入离所说通道的一端比另一端更近的位置上。

2．根据权利要求1所述的系统，其中用于注入反应剂的所说的装置这样设置，即使注入的反应剂进入离所说通道的内壁比所说的外壁更近的位置。

3．根据权利要求2所述的系统，其进一步包括分离器，所说通道的另一端与所说的分离器相接，由此使所说的壳体、通道、和分离器产生气流连通。

4．根据权利要求3所述的系统，其中所说的分离器为旋风分离器。

5．一种降低NOx排出物的燃烧系统，包括：

用于接受包括含氮颗粒燃料的颗粒物质和用于燃烧所说颗粒燃料的壳体；

一个通道，该通道的一端与所说壳体的上部相接并与其产生气流连通，所说的通道具有一顶部、一内壁部分、和一外壁部分；

用于引入含氧气体和流化气体的装置，该装置将含氧气体和流化气体引入所说的壳体以协助所说颗粒燃料的燃烧和流化所说的颗粒物质，由此使所说的流化气体与燃烧产生的气体产物相结合生成烟道气并使部分所说的烟道气夹带部分颗粒物质，所说的这部分烟道气和其夹带的颗粒物质向上流动通过所说的壳体和通道，其特征在于，上述的这部分颗粒物质流经通道趋于向靠近通道外壁的通道上部流动，而上述这部分烟道气流经通道趋于向靠近通道内壁的通道上部流动，由此，在靠近通道内壁的通道上部形成了一个富气区域；

用于选择性注入反应剂的装置，该装置将用于降低在流经通道的这部分烟道气中NOx量的反应剂注入通道的富气区域，且同时使所说的反应剂得到有效地利用。

6．根据权利要求5所述的系统，其中所说的用于将反应剂选择性地注入通道富气区域中的装置包括一穿过所说通道顶部的注入器。

7．根据权利要求6所述的系统，其中所说的注入器穿过通道的顶部处于离通道的一端比离另一端更近的位置。

8．根据权利要求7所述的系统，其中所说的注入器穿过通道的顶部处于离通道的内壁比外壁更近的位置。

9．根据权利要求8所述的系统，其中所说的壳体具有一顶部、后壁、和侧壁，将所说通道的另一端与壳体的后壁靠近顶部和侧壁的部位相连。

10．一种降低NOx排出物的燃烧方法，包括：

制成一个用于燃烧含氮燃料的壳体；

将一个通道的一端与所说壳体的上部相接，由此，使所说的通道与所说的壳体产生气流连通；

将含有所说含氮燃料的颗粒物质送入所说的壳体中；

在所说的壳体中燃烧所说的含氮燃料；

将流化气体送入所说的壳体中，由此使所说的流化气与燃烧产生的气体产物相结合生成烟道气，使一部分所说的烟道气夹带一部分所说的颗粒物质并使这部分所说的烟道气和颗粒物质向上流动并通过所说的壳体和通道；

通过所说通道的顶部注入反应剂，由此使所说的反应剂与流经所说通道的这部分烟道气相结合以降低流经所说通道的这部分烟道气中NOx的量，将所说的反应剂注入所说的通道中离所说通道的一端比另一端更近的位置。

11．根据权利要求10所述的方法，其中将所说的反应剂注入所说的通道中离通道的内壁比外壁更近的位置。

12．根据权利要求11所述的方法，它进一步包括：

将所说通道的另一端与分离器相接，由此使所说的壳体、通道、分离器产生气流连通；和

使所说的这部分烟道气和颗粒物质从所说的通道中流出并使其进入所说的分离器。

13．根据权利要求12所述的方法，其中所说的反应剂包括含有NH₂基团的物质。

14．根据权利要求13所述的方法，其中所说的反应剂选自尿素和氨水。

15．一种降低NOx排出物的燃烧方法，包括：

制成一个用于燃烧含氮燃料的壳体；

将通道的一端与所说壳体的上部相接，由此，使所说的通道与所说的壳体产生气流连通；

将含有所说含氮燃料的颗粒物质送入所说的壳体中；

在所说的壳体中燃烧所说的含氮燃料；

将流化气体送入所说的壳体中，由此使所说的流化气与燃烧产生的气体产物相结合生成烟道气，使一部分所说的烟道气夹带一部分所说的颗粒物质并使这部分所说的烟道气和颗粒物质向上流动并通过所说的壳体和通道，由此使所说的流经通道的这部分颗粒物质趋于向所说通道的上部靠近通道外壁的部位流动，而使所说的流经通道的烟道气趋于向所说通道的上部靠近通道内壁的部位流动，从而在所说通道的上部靠近内壁的位置上形成了一个富气区域；和

将反应剂选择性地注入所说通道的富气区域以使这些反应剂有效地用于降低流经所说通道的这部分烟道气中NOx的量。

16．根据权利要求15所述的方法，其中将所说的反应剂选择性地注入富气区域中离所说通道的一端比另一端更近的位置。

17．根据权利要求16所述的方法，其中将所说的反应剂选择性地注入所说的富气区域中离通道的内壁比外壁更近的位置。

18．根据权利要求17所述的方法，它进一步包括：

19．根据权利要求18所述的方法，其中所说的反应剂包括含有NH₂基团的物质。

20．根据权利要求19所述的方法，其中所说的反应剂选自尿索和氨水。