CN1666064A - 减少灰分中碳含量的燃烧 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及煤的燃烧，其中在煤从燃料器(9)排出时将氧气注射入煤中以生产碳含量降低的灰分。

Description

减少灰分中碳含量的燃烧
发明领域
本发明涉及通过燃烧烃燃料例如煤来生产可销售的灰分的方法。
发明背景
在炉例如公用锅炉中燃烧煤的过程中，从煤中原来所含的矿物质产生大量的灰分。煤的灰分含量从几个百分点到超过30％，而在美国用于发电的大部分烟煤具有6-20的灰分含量。在公用锅炉中产生的灰分通常作为用于水泥生产和用于其它工艺的原料销售。如果灰分中的残余碳含量大于几个百分点，则由于其颜色和对水泥性能的影响而不能用于生产水泥。具有高碳含量的灰分如果没有其它用途，就会以高成本被填埋。
另一个关于灰分中高碳含量的问题是由于灰分成渣和结垢趋势的潜在增加。以前已经有报道，如果碳质残余物被埋在填埋场中，在填埋场中会产生局部低压气氛，这导致显著降低淤渣的熔点温度，特别是如果灰分具有高铁含量的话。
灰分中的残余碳含量受到燃烧条件以及煤和矿物质的种类及煤粉颗粒细度的很大影响。一般而言，灰分中的碳含量会随着用于燃烧的过量空气的减少而增加。另一方面，NOx的释放随着过量空气的减少而显著降低。由于对NOx的释放有更严格的条例规定，所以许多燃煤系统已经转变成低NOx燃烧系统，其中燃烧分两个阶段进行，即：富燃料的第一阶段，其中与燃料键合的氮物质被转化成分子氮；和贫燃料的第二阶段，其中混入额外的燃烧空气以完成燃烧。在低NOx燃烧方法中使用的富燃料燃烧工艺延迟了炭的燃烧并倾向于增加炉出口处灰分的碳含量。所以，低NOx燃烧方法会导致作为可销售副产物的灰分的质量问题。
在煤的燃烧中，挥发性燃烧是非常快的，而炭燃烧是慢的。在灰分中的未燃烧的碳含量(UBC)是由较慢的炭燃烧步骤决定的。碳烧除的速率取决于粒度、孔结构、炭的反应性、温度和氧气在大气中的分压，还有其它因素。炭和燃烧空气的快速混合以及与大量过量氧气的更强烈燃烧能有效地降低UBC。但是，这些条件倾向于显著增加NOx的释放。因此，通常在设计燃烧器-锅炉时寻求设计平衡以在使NOx释放量最小化的同时达到可接受的UBC。
煤的超细研磨是一种有效加速炭烧除并降低UBC的方式。但是，新型煤粉碎机的成本和超细研磨所需的额外能量使得对于大多数改装是不经济的。灰分的后燃烧处理是可能的，并且存在能在分离工艺中氧化灰分中的残余碳的技术。但是，后燃烧处理是昂贵的，不能广泛应用。
氧的富集在实验炉中进行，在该炉中燃烧煤-水浆液，并在未分段的条件下控制NOx和碳的释放量。(W.F.Farmayan，等，“NOx andCarbon Emission Control in Coal-Water Slurry Combustion”，SixthInternational Symposium on Coal Slurry Combustion and Technology，Orlando，Florida，1984年6月25-27日)。从中心燃料管周围的四个注射管(约1/4″ID)注射氧气(该文的图4)。氧气的注射量等于燃烧空气的氧富集达到22-24％O2。该论文的结论是在碳烧除时接近燃烧器的O2富集的效果小，特别是对于火焰尾部。据认为原因是较大的未燃烧颗粒经历了与火焰尾部处相同的贫氧环境，如在无氧富集情况下的火焰中那样。预期通过在最需要氧气时，例如在火焰前端之后而不是之前注射氧气的碳烧除中能获得更多的益处。
该文献的氧注射方法和效果与本发明方法的对比必须考虑燃烧器构造和燃料性能之间的差异。煤水浆液(CWS)通常含有约30％水且必须进行雾化以燃烧。该论文的结论是浆液的雾化质量是影响碳烧除的关键变量。与常规的煤粉燃烧不同的是，CWS必须进行雾化，含有多个煤粒的液滴必须在煤脱挥发分之前蒸发水，并点燃。在单个水滴中的多个煤粒可以聚集形成较大的颗粒。因此，由此文献的结果不能直接应用于煤粉燃烧。
美国专利4,495,874公开了初级和/或二级空气在煤粉燃烧燃烧器中的氧富集以提高锅炉燃烧高灰分煤粉的蒸气速率。尽管该专利没有教导氧富集对UBC的影响，但是图4显示了在2％的氧富集时靠近燃烧器的炉温度显著升高，但是在1％的氧富集时几乎没有。
美国专利4,596,198公开了初级空气在煤粉燃烧燃烧器中的氧富集以降低在燃煤公用锅炉中的渣沉积。该专利教导了初级空气的1％-7％的氧富集，优选2-5％的氧富集(如在该专利中定义，基于氧添加量对燃烧空气总量)以减少成渣沉积。此外，其中说明了1％的氧富集提供了极少(如果有的话)的成渣降低效果。
O.Marin等在题为“Oxygen Enrichment in Boiler”(2001AFRC/JFRC/IEA Joint International Combustion Symposium，Kaui，HI，2001年9月9-13日)的论文中讨论了氧气用于煤燃烧的益处。他们提出在过度燃烧空气(在该论文中称为“三级空气”)中注射氧气以降低灰分中未燃烧的碳，或点燃损失(Loss on Iginition，LOI)，且不会增加NOx释放量。Marin等报道的计算机模拟结果比较了基线空气情况和氧富集情况，在后一种情况下在三级空气中具有高速度的氧富集流(也称为过烧空气)。根据Marin等，“观察到在燃烧室中的传热增加5％，并且炭烧除量绝对增加7％。”(第8页)。
发明简述
在广义上，本发明是一种燃烧煤和生产具有降低碳含量的灰分的方法，包括提供燃烧装置，经由燃烧器将空气和无水煤流加入所述装置中，并在燃烧装置中燃烧煤，同时
在从所述燃烧器排出煤时将氧气加入所述煤中，以使所述氧气与所述煤燃烧，所述氧气的量是小于完全燃烧所述煤所需的化学计算量的20％，其中通过所述燃烧产生的灰分的碳含量低于在没有所述氧气加入步骤但在其它相同条件下进行燃烧时产生的灰分的碳含量。
本发明的一个方面可以认为是一种将现有燃烧装置改装的方法，是一种降低在燃烧装置中由煤的燃烧形成的灰分中的碳含量的方法，包括提供燃烧装置，该装置具有初级燃烧区和烧除区，经由燃烧器将空气和无水煤流加入所述初级燃烧区中，并在初级燃烧区中在含有富燃料区的火焰中燃烧煤，同时
在从所述燃烧器排出煤时将氧气加入所述煤中，以使所述氧气在富燃料区中与所述煤燃烧，其中加入氧气的量小于完全燃烧所述煤所需的化学计算量的20％，优选小于15％，更优选小于10％，最优选小于5％，并保持富燃料区是富含燃料的，同时通过所述燃烧器将加入所述富燃料区的空气的量降低到在加入到所述燃料中的氧气量的10％内，其中通过所述燃烧产生的灰分的碳含量低于在没有所述氧气加入步骤但在其它相同条件下进行燃烧时产生的灰分的碳含量。
本发明的另一个方面可以认为是一种操作燃烧装置(不论是改装的或是体现本发明特征的构造的新装置)的方法，包括经由燃烧器将空气和无水煤流加入所述装置中，并在所述装置中在含有富燃料区的火焰中燃烧煤，同时
在从所述燃烧器排出煤时将氧气加入所述煤中，以使所述氧气在富燃料区中与所述煤燃烧，其中加入氧气的量小于完全燃烧所述煤所需的化学计算量的20％，优选小于15％，更优选小于10％，最优选小于5％，并保持富燃料区是富含燃料的，同时将空气从非所述燃烧器的其它来源加入到所述装置之内但在所述富燃料区之外的区域中，其含有足量的氧气以使加入所述装置中的氧气总量至少是完全燃烧所述煤所需的化学计算量，其中通过所述燃烧产生的灰分的碳含量低于在没有所述氧气加入步骤但在其它相同条件下进行燃烧时产生的灰分的碳含量。
本发明人的实验出乎意料地显示当在燃烧器附近朝向煤料流注射少量氧气时显著降低了在灰分中未燃烧的碳。这些结果与现有技术的教导相反，例如W.F.Farmayan等和O.Marin等人的教导，其中建议在燃烧的后续阶段注射氧气并预期对于降低未燃烧的碳的量有更大的益处。这些结果也没有在上述美国专利4,495,874和4,596,198中暗示，特别是所述专利涉及在具有5重量％以上的灰分含量的煤燃烧过程中用初级或二级空气的氧富集减少成渣，而本发明涉及在燃烧器附近朝向煤料流直接注射氧气来降低形成的灰分中碳的含量。
本发明通常将提供额外的益处，即如上所述进行的燃烧产生了显著减少量的氮氧化物(“NOx”)，即氮的氧化物，例如但不限于NO、NO2、NO3、N2O、N2O3、N2O4、N3O4和它们的混合物。
在这里使用的术语“化学计量比”或SR当在有关含氧料流和能与料流中的氧燃烧的物流的上下文中使用时表示在含氧料流中的氧气与要将在构成该进料流的物质中存在的所有碳、硫和氢全部转化成二氧化碳、二氧化硫和水所必需的氧气总量之比。
在这里使用的术语“富燃料”表示化学计量比小于1.0。
在这里使用的术语“无水”表示不是悬浮、溶解或分散在水中，和不含有水，除了它不排除吸收的水或水合的水。
在这里使用的术语“初级燃烧区”表示在燃烧装置中的紧邻燃烧器出口的且被来自一个或多个燃烧器的一个或多个火焰大部分占据的区域。
在这里使用的术语“烧除区”表示在燃烧装置中位于初级燃烧区和烟道之间、但在初级燃烧区中的火焰之外的区域，其中注射入过度燃烧空气，并用过度燃烧空气燃烧来自初级燃烧区的残余燃料和可燃物。
在这里使用的术语“初级燃烧空气”表示在燃料和该空气被加入到燃烧装置例如经由燃烧器口时已经与燃料混合的空气。
在这里使用的术语“二级燃烧空气”表示经由燃烧器的一个或多个入口加入到燃烧装置中、但是在该空气加入到燃烧装置时还没有与燃料混合的空气。
具有二级空气入口的燃烧器可以具有额外的输送空气的入口，该额外入口到燃料进入燃烧器的入口点的距离大于到达二级空气入口的距离。在这里使用的术语“三级燃烧空气”表示经由这种额外入口加入燃烧装置的空气。如果燃烧器还具有位于距离燃料入口点比三级空气入口更远的入口，则经由这种入口加入的空气称为“四级燃烧空气”。
在这里使用的术语“过度燃烧空气”(或“OFA”)表示独立于燃烧装置中一个或多个燃烧器的被注射入燃烧装置的空气以提供大的富燃料初级燃烧区和烧除区，其中燃烧通过将OFA与未燃烧的燃料和来自初级燃烧区的部分燃烧产物混合来完成。
在这里，加入“氧气”，被加入的“氧气”，和在类似内容中使用的“氧气”，均表示含有至少35体积％氧气的气流。优选，氧气作为含有至少50体积％的氧气的气流提供，更优选含有至少80体积％的氧气，甚至更优选含有至少90体积％的氧气。应该理解的是，这里提到的涉及“氧气”的燃烧或反应的内容中是指氧气本身。
这里所用的灰分的“碳含量”是灰分中碳或含碳化合物(例如任何有机(碳质)化合物)的量。
附图简述
图1是进行本发明的装置实施方案的一个示例的横截面图。
图2是用于进行本发明的燃烧器的一个示例的横截面图。
图3a-3d是用于根据本发明将氧气加入燃烧器的喷枪的示例横截面图。
图4显示了在应用和没有应用本发明的实验炉中用工业燃烧器进行的灰分的未燃烧碳含量结果。
图5是在加入和不加入氧气的情况下LOI(点燃损失，一个衡量在灰分中未燃烧碳的存在量的量度)与燃烧器化学计量比之间的关系图。
图6是LOI与氧气添加量的关系图，用氧气置换％表示。
图7A是可以用于本发明的另一类锅炉的横截面图，其中将煤和氧化剂从分离的口切向加入炉中。图7B是图7A所示炉的顶视图，显示煤和氧化剂加入炉中的切向流动。图7C是从入口前面看过去的炉内部的前视图。
发明详述
下面将参考附图描述本发明，但是对附图的引用并不限制本发明的范围。
图1显示了燃烧装置1，它可以是任何装置，其中燃烧在装置的内部11进行。优选的燃烧装置包括用于以常规方法产生电能的炉和锅炉(未显示)。
在燃烧装置1的端壁中的燃烧器9将煤、空气和氧气从其位于燃烧装置1外部的来源送入燃烧装置1的内部11中。燃烧器9优选包括几个同心排列的通道，其细节显示在图2中，但是可以使用与此具有相同作用的其它结构。将煤与初级燃烧空气2经由环形通道6加入燃烧装置1中，该通道同心地位于喷枪20周围，如此处所述氧气经由喷枪20加入。优选，煤通过燃烧器9推进到燃烧装置1的内部11中，这通过常规设计的吹风机和推进器进行，它们通常用于在输送空气或初级空气的协助下加入煤粉。
二级燃烧空气3经由旋流叶片21在旋流运动下加入燃烧装置1中，优选经由在环形空间周围同心排列的空间7加入，其中煤经由环形空间加入。优选的三级燃烧空气4经由旋流叶片22在旋流运动下加入燃烧装置1中，优选经由在环形空间7周围同心排列的空间8加入。优选的是，将氧气分别地加入燃烧装置的内部11中并与二级和三级燃烧空气隔开。也就是说，按照本发明经由燃烧器9加入的氧气在其加入燃烧装置1之前没有与燃烧空气混合。
在根据本发明改装燃烧装置以降低灰分中的碳含量之前，用于加入氧气的喷枪20并不存在。燃烧在煤和燃烧空气中的氧气之间进行，形成火焰13。在最接近燃烧器9端部的火焰区内，也就是在煤从燃烧器排出的地方，火焰区是富燃料区12。在其周围的火焰区域较缺乏，因为二级和三级空气尚未与煤完全混合和反应。
然后，加入喷枪20。或者，用功能如图1所示的燃烧器代替加入煤和燃烧空气的燃烧器。
优选，空气(称为过度燃烧空气)也经由开口14加入燃烧装置1的内部，以提供额外的氧气来帮助达到煤的完全燃烧并同时达到降低的NOx释放量。经由燃烧器9加入的燃烧空气中的氧气与在开口14加入的氧气足以能完全燃烧煤，可能相对于完全燃烧煤所需的化学计量最多过量10-20体积％氧气。
优选的是，加入燃烧空气和煤以在纵轴向周围旋流，从而改进空气和煤的混合。旋流可以通过公知的技术实现，例如在燃烧器出口之前提供旋流叶片21和22，其使得料流按照所需的旋流方向流动。
本发明通过这里所述的向煤进料流中加入少量氧气而改进、即减少了燃烧形成的灰分中的碳残余量。更特别是，在煤从燃烧器排出并进入燃烧装置1的内部11时将氧气(表示含有至少35体积％氧气的气流，优选含有至少50体积％的氧气，更优选含有至少80体积％的氧气，甚至更优选含有至少90体积％的氧气)直接加入煤中。因此，煤颗粒与输送空气(即，初级空气)和火焰6的富燃料部分一起进入燃烧装置中，并与含有至少35％氧的气态气氛混合。
氧气优选经由喷枪或类似的进料管线加入，该进料管线可在一端开口通向燃烧装置1，或者在一端封闭并在封闭端附近周边具有一个或多个开口，使得氧气经由这些开口流出直接流入从燃烧器进入燃烧装置的煤中。
参见图7A和7C，切向燃烧炉1包括用于将煤注射入炉内部的开口和用于将燃烧空气注射入炉内部的开口的排列。通常，煤开口和燃烧空气开口按照垂直列排列，彼此交替，如图7A和7C所示，其中用于注射煤的开口31与用于注射燃烧空气的开口32交替。煤在炉内部与燃烧空气燃烧。炉还配备有过度燃烧空气开口7。
本发明还适合具有这种构造的炉，例如通过在一个或多个燃料开口中提供喷枪5，其中已经测定需要注射氧化剂以降低所生产的灰分中的碳含量，和然后将所需量的氧化剂经由每个这种喷枪加入。氧气喷枪5还可以位于一个或多个燃烧空气开口中或者空气和燃料开口之外，并且氧气从这些喷枪朝向邻近的煤料流注射。
以此方式加入的氧气量优选足以建立火焰6的富燃料区中的化学计量比，该化学计量比小于约0.85，以达到低NOx释放和生产具有低碳含量的灰分。经由管线5加入的氧气量应该低于要完全燃烧煤所需的化学计算量的20％。更优选的是，该量低于要完全燃烧煤所需的化学计算量的15％。
同时，经由燃烧器9加入燃烧装置1的二级燃烧空气3和三级燃烧空气的量需要降低到与经由管线20加入的氧气量对应的化学计算量相等的量。
不打算将本发明出乎预料的性能限制于任何特别的解释，但是按照本发明运行的燃烧装置的性能与其中在煤料流附近注射氧气以促进煤料流的早期点燃和显著改进由煤产生挥发物的速率和数量的机理一致。较高的挥发物产率降低了必须在燃烧后续阶段中被氧化的炭的量。尽管本发明的氧气注射方法没有增加在缓慢炭烧除步骤中气氛中的氧气分压，如现有技术所教导，但是在初始脱挥发和燃烧阶段期间产生的炭量据认为对降低保留在灰分中的未燃烧碳量方面具有显著的有利影响。
图3a至3d显示了可以使用的各种喷枪构造。可以使用其它喷枪构造。在图3a中，喷枪5的端部是一个开孔31，它优选沿着喷枪的轴取向。
在图3b中，喷枪5的端部是封闭的，在接近喷枪热端的喷枪周边有2个或多个，优选2-16个，更优选4-8个喷嘴32，从而径向注射氧气。也可以在该喷枪的端部提供1-4个或更多个喷嘴。
在图3c中，在喷枪5的封闭下游端附近径向地提供2个或多个，优选2-16个、更优选4-8个喷嘴32，并且在与流入喷枪5的氧气流动方向成大于0°且小于90°角地提供2个或多个，优选2-16个，更优选4-8个喷嘴33。
在图3d中，在接近喷枪5热端的喷枪5周边有2个或多个、优选2-8个喷嘴34，每个喷嘴与氧气流入喷枪5方向的反向形成30-90°、优选30-60°角度。
在这些和其它喷枪方案中，通过喷枪侧边的喷嘴可以在一个或多于一个的周长上排列。
用于控制NOx的最佳氧气注射角度取决于周围空气的切向和径向动量、燃烧器开口几何形状以及氧气喷枪附近的燃烧器空气流动方式的性质。因此，为了在具有低径向空气动量的燃烧器中得到更好的结果，最佳角度是相对于燃烧器轴的90°或更大角度，而要在具有较高径向动量的燃烧器中得到更好结果将通常需要减小该角度以避免氧气与空气流的混合。对于高径向空气流动，最佳角度是15度或更小(大部分是轴向注射)。对于那些使用能产生径向方向的强空气流分量的技术的燃烧器，例如具有燃烧器浅开口或空气转向器的高旋流而言，主要在轴向成角度的氧气喷嘴(与轴向夹角小于30°)是最佳的。对于其中空气流动主要是轴向(即，空气流动的径向分量小或不存在)的燃烧器，优选沿着径向方向注射氧气(与轴向流动分量成45-135°角)。
本发明按照上述方式加入氧气以使氧气与煤在火焰的富燃料区内燃烧的操作提供的益处是降低了NOx的形成和降低了灰分中碳的含量。
下面提供实验细节和模拟条件。
实施例1
低NOx煤-空气燃烧器在约4MMBtu/hr下在耐火衬实验炉中燃烧，该实验炉的内部尺寸是约3.6英尺宽，3.6英尺高和41英尺长。一对过度燃烧空气开口位于距离燃烧器出口约10.5英尺处。燃烧器与图2中所示的相似，包括中心圆形通道和几个环形通道用于通过煤、空气、氧气和天然气料流。中心通道用于插入1.9″OD和1.5″ID氧气喷枪或者被封闭以提供陡直壁体来改进气体循环，从而改进火焰稳定性。煤和初级空气从3.068″OD和1.9″ID的第一环形通道注射。第二环形通道(4.026″OD和3.5″ID)用于注射天然气或者氧气。第三(6.065″OD和4.5″ID)和第四(7.981″OD和6.625″ID)环形通道用于二级和三级空气流，并配备可变的旋流发生器以得到旋流流动。燃烧器设计成提供空气动力学分段的燃烧条件。初级和二级空气的轴向速度是相似的，以提供二级空气与煤料流的缓慢混合。三级空气的速度显著高于二级空气的速度。因此，二级空气为三级空气和煤料流之间的混合提供“缓冲”。较大的燃料富集燃烧区沿着燃烧器的轴形成，同时二级空气和三级空气沿着炉的纵向进行相对梯度混合。
氧气通过位于燃烧器轴中的圆形喷枪注射。氧气喷嘴在喷枪端部具有8个1/4英寸直径的径向孔和4个1/4英寸直径的轴向孔，该喷嘴用于注射氧气和与周围环形煤料流混合。
在燃烧器中不添加氧气的情况下，在炉中接近烟道口处收集的灰分样品的点燃损失(LOI)稍微超过10重量％。在燃烧器中加入氧气相当于代替10％的燃烧空气，点燃损失是约7.5重量％，表明减少了约25％。
实施例2
工业低NOx煤-空气燃烧器(RSFCTM燃烧器，描述在美国专利5,960,724中)在约24MMBtu/hr下在耐火衬实验炉中燃烧，该实验炉的内部尺寸是约7.5英尺宽，7.5英尺高和34英尺长。一对或两对相对的过度燃烧空气开口位于距离燃烧器出口约26英尺处。燃烧器包括中心圆形通道和几个环形通道用于通过煤、空气、氧气料流。中心通道用于插入1.9″OD和1.5″ID氧气喷枪。煤和初级空气从第一环形通道注射。第二、第三和第四环形通道用于二级、三级和四级空气流，并配备可变的旋流发生器以得到旋流流动。燃烧器设计成提供空气动力学分段的燃烧条件。较大的燃料富集燃烧区沿着燃烧器的轴形成，同时三级空气和四级空气沿着炉的纵向进行相对梯度混合。
氧气通过位于燃烧器轴中的圆形喷枪注射。氧气喷嘴具有八个3/8英寸直径的径向孔和四个3/8英寸直径的轴向孔，该喷嘴用于注射氧气和与附近的环形煤料流混合。氧气的注射量是化学计算量氧气的5-10％。当注射氧气时，从二级、三级和四级空气流中取出化学计算量等量的空气以保持相同的初级燃烧区和总的燃烧化学计量比(SR＝1.15)。初级空气流动速率保持恒定在约SR＝0.20。用于整体燃烧分段的过度燃烧空气与炉轴垂直地从2-4个正相对的空气口注射。
可调节的用于二级、三级和四级空气流的旋流叶片的设置被最佳化以得到对于仅仅燃烧的空气而言的最低NOx释放量，当注射氧气时使用相同的设置。实验在中试规模实验炉中进行。实验条件如下。
燃烧速率：24MMBtu/hr
煤类型：高挥发烟煤，来自Illinois 6号矿
粒度：标准煤粉粒度
总化学计量比：1.15
初级区化学计量比：0.7-1.15
注射的氧气：5-10％的SR空气被平均21.7％和22.5％氧气代替
图4显示在实验炉的对流区之后，在烟道道中收集的灰分样品的未燃烧碳的结果。
尽管数据表现得相当分散，但是用5％氧气代替化学计量空气时，UBC降低约50-70％，和用10％氧气代替化学计量空气时，UBC降低约60-80％。考虑到相对于燃烧空气总量(21.7％和22.5％氧气富集)使用的氧气量小于Farmayan等用煤水浆液进行的实验(22％和24％氧气)，这些结果确实是惊人的。此外，本发明提高氧气燃烧方法在UBC方面的益处也在实验的所有初级区化学计量比中实现。通过本发明改进碳烧除的目的在正常，即未分段的燃烧条件下以及在分段的低NOx燃烧条件下实现。
实施例3
实物实验在容积为44MW的Riley Stocker次临界蒸汽发生器中进行。该装置配备了3个Attrita煤粉碎机。六个D B Riley CCVTM低NOx燃烧器排列在位于锅炉前壁的两个平台上。包括5个开口的过度燃烧空气(OFA)系统位于燃烧器顶排之上的一个平台上。
每个燃烧器包括中心圆形通道和两个环形通道用于输送煤的初级空气流和二级空气流。中心通道用于插入1.9″OD和1.5″ID氧气喷枪。煤和初级空气从第一环形通道注射，该通道配备有文丘里煤浓缩器和四个与燃烧器的轴成30°角的煤分配叶片。第二环形通道用于二级空气流，并配备有可变旋流发生器以得到旋流流动。燃烧器设计成提供空气动力学分段燃烧的条件。较大的燃料富集燃烧区沿着燃烧器的轴形成，同时二级空气沿着炉的纵向进行相对梯度混合。
氧气通过位于燃烧器轴中的圆形喷枪注射。两个不同类型的氧气喷枪用于注射氧气并与邻近的环形煤料流混合。A型喷枪是具有开口端的直管。B型喷枪具有位于注射端附近的三列径向氧气喷嘴。氧气的注射量是化学计算量氧气的2-8％。当注射氧气时，从二级空气流中取出化学计算量等量的空气以保持相同的初级燃烧区和总的燃烧化学计量比。初级空气流动速率保持恒定在约SR＝0.17。
实验条件归纳如下。
燃烧速率：90MMBtu/hr每个燃烧器
煤类型：高挥发烟煤，来自Bowie矿
粒度：标准煤粉粒度
初级区化学计量比：0.85-1.15
注射的氧气：2-8％的SR空气被平均21.3％和22.2％氧气代替
在特定条件下的省煤区之后从烟道气收集灰分样品进行点燃损失(LOI)分析。图5和图6显示了表示分段和氧气注射对LOI影响的代表性数据。随着燃烧器化学计量比从未分段的条件降低到对于仅仅燃烧条件下的空气而言的约0.92，LOI显著增加。当燃烧器化学计量比进一步降低到约0.85并加入少量氧气(对应于化学计量氧气的2-8％)时，LOI显著降低。A型和B型氧气喷枪的性能相同，在LOI方面几乎观察不到差别。
图6显示LOI随着对于分段燃烧情况的氧气注射量的变化，其中初级燃烧区化学计量比是0.85-0.96。当氧气量从化学计量氧气的2％增加到4％时，LOI稍微降低，但是在4-8％之间时几乎没有另外的变化。因此，在该实施例中，氧气添加的最经济范围是化学计量氧气的2-4％。
与美国专利4,495,874和4,596,198(其中教导了在1％富集时炉温度几乎没有变化或成渣沉积，1％氧气富集相当于注射化学计量氧气的约8％)相比，在上述实施例中观察到的LOI显著降低确实是惊人的。不打算将本发明出乎意料的性能限定于任何特定的解释，但认为关键的步骤是经由燃烧器直接将氧气注射到燃烧设备中且在煤料流附近氧气没有与空气混合，而不是通过将氧气与空气流预先混合来富集氧气。
当使用20％化学计量空气将氧气预先混合或快速混合入煤输送料流(即初级空气料流)和通过降低来自二级或三级空气(*)的化学计量等量空气使得总燃烧化学计量比保持恒定在1.15时，计算氧气在输送空气料流中和在总燃烧空气中的以下浓度。
用氧气代替燃烧空气的化学计量％(*)  在输送空气中的氧气浓度(体积％)  在全部空气中的平均氧气浓度(体积％)
0  21.0  21.0
5  24.9  21.7
10  28.5  22.5
15  31.7  23.4
20  34.7  24.3
(*：例如5cf的空气被1.05cf的纯氧气代替得到相同量的氧气)
由于使用了少量的氧气，因此即使当氧气仅仅与输送空气(即初级空气)混合时，混合均匀后也仅仅适度地增加了空气中的氧气浓度。此外，氧气混合入煤输送空气增加了在煤管道内煤颗粒的过早点燃的危险，和增加了安全问题。优选的方法是将氧气注射入喷嘴尖端处的煤/初级空气料流中。在这种情况下，一部分煤颗粒与氧气喷射器混合，并局部形成煤高氧气混合物的区域。与氧气预先与输送空气料流预先混合的情况相比，这些条件可以提供迅速点燃源的区域并促进早点燃和脱挥发。
另一个优选的方法是从邻近煤料流的内部或外部环形空间注射氧气。在这种情况下，有利的富氧燃烧条件是在煤和氧气料流的边界上提供的。
当氧气与燃料流分别以高速度注射时，就像Farmayan等的情况，氧气注射流可能被周围气体快速稀释，其作用被延迟。因此，氧气注射方法必须小心设计。
本发明另一个可能的方法是将进入的氧气预先加热。预热的氧气具有高达1600-1800°F的温度，将提高富燃料区的温度，改进该区域中的燃烧，并增加挥发产率。加工管道的材料将限制温度上限。
虽然本发明已经主要参考壁燃烧式锅炉例如图1和图2所示类型进行了描述，但是这并不说明本发明限于这种燃烧系统。相反，本发明适用于其中燃烧燃料和空气的其它系统，包括但不限于图7A-7C描述的切向燃烧系统，和在本领域中称为“旋风”炉的燃烧系统，其中该炉的初级燃烧区包括一个或多个封闭室，各自具有圆筒形壁、封闭的端壁和经由炉壁通向炉主室的开口端，其中燃料、燃烧空气和氧化剂(以在本文中所述的量加入到燃料中)经由圆筒形壁和端壁加入封闭室中，加入方向使得它们围绕封闭室的旋转中心轴旋转，并燃烧形成火焰，燃烧热经由开口端释放到炉的主室中。
除了上述例举的炉之外，可以使用其它类型的炉，例如所谓的分流燃烧器，其中燃料流在燃料进入燃烧室时被分流成多个彼此独立的料流，并甚至彼此分流。用这种类型的燃烧器，氧气从相应的多个喷枪加入到每个燃料流中，或从具有多个朝向各燃料流的喷嘴的喷枪加入，并且氧气的化学计算量要求基于加入的燃料和氧气的总量。

Claims (22)

1.一种燃烧煤和生产具有降低碳含量的灰分的方法，包括提供燃烧装置(1)，经由燃烧器(9)将空气和无水煤流加入所述装置(1)中，并在燃烧装置(1)中燃烧煤，同时
在从所述燃烧器(9)排出煤时将氧气加入所述煤中，以使所述氧气与所述煤在火焰(13)中燃烧，其中所述氧气的量小于完全燃烧所述煤所需的化学计算量的20％，其中通过所述燃烧产生的灰分的碳含量低于在没有所述氧气加入步骤但在其它相同条件下进行燃烧时产生的灰分的碳含量。
2.根据权利要求1的方法，还包括降低经由所述燃烧器(9)加入的空气量，使得加入所述装置中的氧气总量是要完全燃烧所述煤所需的化学计算量的100-130％。
3.根据权利要求1的方法，还包括将空气从非所述燃烧器的来源(14)加入位于所述燃烧装置之内但在所述火焰(13)之外的区域，其中空气的量为含有足够的氧气使得加入所述装置(1)的氧气总量至少是要完全燃烧所述煤所需的化学计算量。
4.根据权利要求1的方法，其中氧气的加入量小于要完全燃烧所述煤所需的化学计算量的10％。
5.根据权利要求1的方法，其中氧气的加入量小于要完全燃烧所述煤所需的化学计算量的5％。
6.根据权利要求1的方法，其中将煤料流经由燃烧器(9)加入，并在煤从燃烧器(9)排出时，将氧气经由位于所述料流中的空心喷枪(20)注射加入所述煤中。
7.根据权利要求1的方法，其中将煤料流经由燃烧器(9)的环形煤通道(6)加入，并将氧气经由围绕(3)所述环形煤通道(6)或被所述环形煤通道(6)围绕(20)的环形通道注射加入所述煤中。
8.根据权利要求1的方法，其中所述氧气直接经由喷枪(20)注射加入所述煤中，所述喷枪具有封闭端和多个在喷枪(20)端部附近的喷嘴(32)。
9.一种降低在燃烧装置(1)中由煤的燃烧形成的灰分中的碳含量的方法，包括提供燃烧装置(1)，该装置具有初级燃烧区和烧除区，经由燃烧器(9)将空气和无水煤流加入所述初级燃烧区中，并在初级燃烧区中在含有富燃料区(12)的火焰(13)中燃烧煤，同时
在从所述燃烧器(9)排出煤时将氧气加入所述煤中，以使所述氧气在富燃料区(12)中与所述煤燃烧，其中所述氧气的加入量小于要完全燃烧所述煤所需的化学计算量的20％并保持富燃料区(12)是富含燃料的，同时通过所述燃烧器(9)将加入所述富燃料区(12)的空气的量降低使得加入所述装置(1)中的氧气总量是要完全燃烧所述煤所需的化学计算量的100-130％，其中通过所述燃烧产生的灰分的碳含量低于在没有所述氧气加入步骤但在其它化学计量相同条件时进行燃烧产生的灰分的碳含量。
10.根据权利要求9的方法，其中氧气的加入量小于要完全燃烧所述煤所需的化学计算量的15％。
11.根据权利要求9的方法，其中氧气的加入量小于要完全燃烧所述煤所需的化学计算量的10％。
12.根据权利要求9的方法，其中氧气的加入量小于要完全燃烧所述煤所需的化学计算量的5％。
13.根据权利要求9的方法，其中将煤料流经由燃烧器(9)加入，并在煤从燃烧器(9)排出时，将氧气经由位于所述料流中的空心喷枪(20)注射加入所述煤中。
14.根据权利要求9的方法，其中将煤料流经由燃烧器(9)的环形煤通道(6)加入，并将氧气经由围绕(3)所述环形煤通道(6)或被所述环形煤通道(6)围绕(20)的环形通道注射加入所述煤中。
15.根据权利要求9的方法，其中所述氧气直接经由喷枪(20)注射加入所述煤中，所述喷枪具有封闭端和多个在喷枪(20)端部附近的喷嘴(32)。
16.一种操作燃烧装置(1)的方法，包括经由燃烧器(9)将空气和无水煤流加入所述装置(1)中，并在所述装置中在具有富燃料区(12)的火焰中燃烧煤，同时在从所述燃烧器(9)排出煤时将氧气加入所述煤中，以使所述氧气在富燃料区(12)中与所述煤燃烧，其中所述氧气的加入量小于要完全燃烧所述煤所需的化学计算量的20％，并保持富燃料区(12)是富含燃料的，同时将空气从非所述燃烧器的其它来源(14)加入在所述装置之内但在所述富燃料区(12)之外的区域中，其量是含有足量的氧气以使加入所述装置(1)中的氧气的总量至少是完全燃烧所述煤所需的化学计算量，其中通过所述燃烧产生的灰分的碳含量低于在没有所述氧气加入步骤但在其它化学计量相同条件时进行燃烧产生的灰分的碳含量。
17.根据权利要求16的方法，其中氧气的加入量小于要完全燃烧所述煤所需的化学计算量的15％。
18.根据权利要求16的方法，其中氧气的加入量小于要完全燃烧所述煤所需的化学计算量的10％。
19.根据权利要求16的方法，其中氧气的加入量小于要完全燃烧所述煤所需的化学计算量的5％。
20.根据权利要求16的方法，其中将煤料流经由燃烧器(9)加入，并在煤从燃烧器(9)排出时，将氧气经由位于所述料流中的空心喷枪(20)注射加入所述煤中。
21.根据权利要求16的方法，其中将煤料流经由燃烧器(9)的环形煤通道(6)加入，并将氧气经由围绕(3)所述环形煤通道(6)或被所述环形煤通道(6)围绕(20)的环形通道注射加入所述煤中。
22.根据权利要求16的方法，其中所述氧气直接经由喷枪(20)注射加入所述煤中，所述喷枪具有封闭端和多个在喷枪(20)端部附近的喷嘴(32)。
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