CN1668877A - 加入氧气来增强sncr辅助燃烧 - Google Patents

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Abstract

通过在可控制的条件下将氧气注入富含燃料的燃烧区(10)，减少来自燃烧的NOx排放，提高SNCR还原的NOx，以及实现其它的效能。

Description

加入氧气来增强SNCR辅助燃烧
发明领域
本发明涉及烃燃料例如煤，在例如产生电能的炉子中的燃烧，以及减少在该燃烧过程中产生的氮的氧化物。
发明背景
在发电厂的炉中燃烧煤仍然是产生能源的一种重要方法。由于认为这种燃烧导致大气中NOX的排放，其被认为导致大气污染。仍然有相当大的兴趣寻找减少燃烧过程中排放到大气中NOX量的方法。
一种众所周知的减少锅炉和炉排放NOX的方法是向燃烧室中注入试剂例如氨、尿素、氰尿酸或碳酸铵，由于试剂在高温下形成了胺基(-NH2)，与燃烧室中高温燃烧气体中存在的NO反应形成N2。这种方法众所周知被认为是选择性非催化还原(SNCR)方法，现有技术在许多方面已经进行了描述。显著的SNCR方法是Lyon在美国专利3,900,554和Arand等在美国专利4,208,386和4,325,924中描述的方法。对SNCR方法最近的改进包括美国专利6,030,204和美国专利申请公开号US2002/0025285A1中所描述的那些。氨和尿素是优选的试剂。为了有效地减少NOX，对每一燃烧过程中可利用的空间和滞留时间内试剂不得不与含有NOX的燃烧气体均匀混合。均匀混合是一困难的实际问题，因为对于含有100到1000ppm的NOX的烟道气，试剂与烟道气的摩尔比为1,000到10,000数量级。
通过SNCR方法减少NOX的效率很大程度取决于完成反应的温度。通常有效的反应温度被认为在大约1600到2000F，在小的混合很好的系统中，在该温度下完成的SNCR反应能使NOX的减少达到最高为90％。然而，由于锅炉中大的温度梯度以及由于为了取得混合均匀以及提供足够的混合时间的物理限制，在大锅炉中SNCR反应提供的最大限度NOX减少为约55到60％。考虑到当到达锅炉的对流区时，烟道气要经过迅速冷却，所以将还原剂注入锅炉中的理想气体温度典型地被认为在1800-2000F。在低于或高于1800到2000F的温度范围，NOX还原量急剧下降。低温下将排放没有反应的试剂(传统上称为“氨失误”)是个问题，高温下NOX还原效率的急剧下降是个问题。
不幸的是，在传统的炉子例如大型锅炉(utility boiler)中，当它们离开炉子的燃烧区(即燃料发生燃烧的区域)并进入还原区(进行注入和SNCR试剂反应的地方)时，气体(主要由气态燃烧产物和氮组成)的温度一般为约2100到2300F。结果，即使试剂与烟道气很好的混合，典型的只有15到30％的NOX被还原。
到目前为止，通过降低离开燃烧区的气态燃烧产物的温度试图改善这种情况有牺牲炉子的效率或产量的风险，但不必对整个系统进行棘手和昂贵的改造。虽然通过增加注入到还原区的氨或其它试剂的量在一定程度上增加了NOX的还原量，但是这是一种昂贵的方法。另一方面，加入传统的装置例如低NOX燃烧器和用于减少NOX形成的过度燃烧空气气孔(从而减少需要注入的试剂量)通常被认为能延缓燃烧过程和增加离开燃烧区的燃烧产物的温度。因而，试剂需求减少但却损害了SNCR方法的总效率。
在SNCR方法中，试剂从喷嘴阵列中被注入，与处于适用于锅炉或炉子的最佳温度范围的热炉气体进行良好的混合。对于使用锅炉，在辐射区末端的区域是优选的位置。当气体从辐射炉区流到对流层时，气体温度迅速下降；然而在对流层注入试剂是不实际的，因为那儿存在热交换管。因为在锅炉的末端在可利用的比较短的滞留时间内试剂(一般以水溶液形式提供)，必须被雾化，汽化，与烟道气进行混合，与NO反应，所以试剂注入喷嘴的位置和分布是最重要的参数。注入速度，方向和液滴大小分布都影响NOX的还原率，需要对每个锅炉进行最优化。因为气体温度随着锅炉载荷改变，经常在多个水平设置试剂喷嘴，当最适温度范围变化时，控制注入的水平面。
在炉子上部区域中的烟道气再循环(FGR)是冷却烟道气的一种有效的方法，经常在过热器中用于控制蒸汽温度。在这种方法中，通过感应通气风扇将经过空气加热器的烟道气进行再循环。然而，这种方法存在磨损(wear to)和维护由烟道气中的灰导致的FRG风扇的技术问题。经济上是另一问题，这是由于安装处理温暖的烟道气(大约400到500F)所需的大风扇产生的费用和用于再循环的能源产生的费用所造成的。
也可能注入稀释剂来冷却离开燃烧区的气态燃烧产物。水喷雾可以作为一种有效的冷却剂。然而，除了再循环烟道气，加入任何稀释剂将导致显著的能量损失以及降低锅炉的热效率。
因此，仍然需要能提供当取得SNCR方法的好处时，没有牺牲其它好处的方法。
发明概述
本发明满足此需要以及提供这里描述的益处。根据发明，烃燃料在具有燃烧区，用于在所述的燃烧区中燃烧烃燃料以产生燃烧热和含有NOX的气态燃烧产物的燃烧器装置，用于将所述的燃料和燃烧空气供入到所述的燃烧器装置的进料装置，以及所述的气态燃烧产物从所述的燃烧区进入其中的位于所述燃烧区下游的还原区的炉子中进行燃烧，其中在所述的还原区中存在的燃烧产物温度超过1900F，还原剂被注入所述的还原区，与所述燃烧产物中的NOX反应形成N2，从而减少否则会从所述炉子排放的NOX的量。将氧气注入到所述的燃料中，方法是当所述的燃料在所述的燃烧器出现时将氧气直接注入所述的燃料中或者将氧气加入到通过燃烧器注入的空气中，同时使通过所述燃烧器供入的燃烧空气减少一定量，减少量包括足够氧气，使得与不加入氧气的化学计量比相比，总燃烧区化学计量比改变不超过10％，并在所述空气和所述的氧气中燃烧燃料，其中所述氧气的量足够降低通入所述还原区的所述燃烧产物的温度，但是温度没有低于1800F，并且所述氧气的量小于所述燃料完全燃烧所需的化学计量用量的25％。
优选的，将空气从除了所述燃烧器外的来源加入到在所述富含燃料区外面的所述燃烧室的区域，空气的用量使得含有至少足够氧气以使供给到所述燃烧室的氧气的总量至少是所述燃料完全燃烧需要的化学计量用量。
虽然某些还原区域的燃烧产物可以低于1900F，但有一些高于此温度。如这里所描述地注入氧气导致通入还原区的燃烧产物温度降低，而这也提供了这里描述的其它的好处。
在一些优选的实施方案中，特别是其中所述燃料含有结合氮的那些实施方案，所述燃烧在低NOX燃烧器中分段进行，富含燃料的火焰区的化学计量比在0.6到1.0之间，或者所述燃烧是使用过度燃烧空气的分段燃烧，主燃烧区的化学计量比在0.6到1.0之间。
在另一些优选实施方案中，通过所述燃烧器供入燃料流，当燃料在炉中出现时通过位于所述流中的喷枪注入氧气将它供给到所述燃料中。而在其它优选实施方案中，通过所述炉子中的环形燃料管道供入燃料流，以及通过环绕所述环形燃料管道或被所述环形燃料管道环绕的环形通道将氧气注入所述燃料中。
在最优选的实施方案中，燃料是煤。
本发明提供许多益处。
减少了每单位能量的NOX排放。对于还原相同量的NOX，减少了SNCR试剂的消耗量。提高了炉子的热效：传递更多的热量，从而降低烟道气的温度。同样，从相同的燃料加入量中回收了更多的能量，这也稍微减少了燃料加入量，但同时保持将相同的总热量传递到锅炉管道中。通过意想不到的两种方法的协同作用，结合的方法减少了NOX排放。
在这里使用“化学计量比”是指供给的氧气与使构成进料的物质中存在的所有的碳、硫和氢全部转变成二氧化碳、二氧化硫和水所需要的氧气总量之比。
在这里，“NOX”是指氮的氧化物，例如但是不限于NO、NO2、NO3、N2O、N2O3、N2O4、N3O4及它们的混合物。
在这里，“结合氮”是指氮是分子的一部分，该分子也包含碳和氢，以及任选地含有氧。
在这里，“还原剂”是指任何与NO在1900°F反应形成含有N2的反应产物的含氮化合物。
在这里，“在低NOX燃烧器中分段燃烧”是指炉中的这样的燃烧，其中燃料与燃料完全燃烧所需的燃烧空气的一部分混合被延迟以产生具有相对大的富含燃料火焰区的火焰。
在这里，“使用过度燃烧空气的全阶段燃烧或分段燃烧”是指炉中的燃烧，其中燃料完全燃烧所需燃烧空气的一部分(“过度燃烧空气”)没有通过或没有直接接近任何燃烧器，而使通过位于燃烧器和炉子烟道装置之间的进口被送入炉中，并且没有结合燃料一起被送入。
附图简述
图1是实施本发明的装置的一种实施方案的横截面示意图。
图2是用于实施本发明的燃烧器的横截面示意图。
发明详述
参照图将描述发明，但是参照图进行描述没有意图限制本发明的范围。
图1显示具有SNCR区的燃烧装置1，其可以是其中在装置的内部2完成燃烧的任何设备。优选的燃烧装置包括炉子和锅炉，其用于通过没有显示的传统装置产生蒸汽。
燃烧装置1的侧壁或末端壁上的燃烧器3将燃料、空气和氧气从位于燃烧装置1外面的来源供给到燃烧装置1的内部2。适合的燃料包括烃液体，例如燃料油，以及也包括粉状烃固体，优选的例子是粉状煤或石油焦碳。优选的，燃料含有结合氮。
如图1和在图2中更详细地看到，燃烧器3优选包括几个同轴排列的通道，尽管可以使用具有同样效果的其它结构。燃料通过环形通道4进入燃烧装置1中，如本文所述，环形通道4同轴环绕用于送入氧气的喷枪5设置。优选的，燃料从供给源20被传送到一或几个燃烧器3中，并被推动通过燃烧器3进入燃烧装置1的内部2在液体例如燃料油的情况通过适合的泵装置来进行，在烃固体例如粉状煤的情况通过常规设计的送风机和推动器来进行，其传统上在气态载体例如，优选在传送空气或一级空气(primary air)的帮助下被送入燃烧装置。液体烃燃料优选通过一个或几个常规设计的雾化喷嘴被送入，以将液体燃料作为不连续的、分散液滴和雾化空气一起送入燃烧室。使用有效量，典型为大约1.5至2.0(1b)的一级空气传送1(1b)的煤，其相当于完全燃烧烟煤所需化学计量用量的燃烧空气的大约20％。为了燃烧重油，典型使用大约0.5至1.0(1b)的一级空气雾化1(1b)的油。
通过压力送风(“FD”)扇将燃烧空气22提供到一个或几个风箱21中，并被送入一个或几个燃烧器3的空气通道。二级燃烧空气15通过燃烧器3，优选通过环绕送入烃燃料的环形空间4的同轴排列的环形通道11，送入燃烧装置1中。优选三级燃烧空气16通过燃烧器3，优选通过环绕二级空气通道的同轴排列的环形通道12送入燃烧装置1中。优选燃烧空气也通过过度燃烧空气气孔(over fire air port)7(参见图1)送入燃烧装置1中。优选，氧气远离二级和三级燃烧空气被送入装置的内部2。也就是说，根据本发明在它被送入燃烧装置1之前或之后，特别是当没有使用过度燃烧空气时，通过燃烧器3送入的氧气优选不与二级和三级燃烧空气混合。
优选的低NOX燃烧器有用于良好空气动力学调节的一级(燃料)、二级和三级空气通道。然而，也可以使用只使用一级和二级空气进料的其它低NOX燃烧器设计。一旦决定了三种通道的最佳设置，可以设计二级空气涡旋叶片和通道，以便产生与三通道设计相同的空气动力学混合特征。另一选择是，可以使用具有另外(第四)通道的燃烧器(例如美国专利5,960,724中描述的RSFCTM燃烧器)。
在根据本发明改进燃烧装置以减少在燃烧装置操作中形成的NOX之前，还不存在用于注入氧气的喷枪5。燃烧在烃燃料和在燃烧空气中存在的氧气之间进行，导致火焰6的形成。最靠近燃烧器3末端的火焰区域8，也就是烃燃料在喷嘴中出现的位置，是富含燃料的区域。环绕火焰6周围的区域相对贫乏，因为二级和三级燃烧空气没有充分与燃料进行反应。当从过度燃烧空气气孔7送入足够量的空气用于全阶段燃烧时，除了靠近燃烧器3注入空气的区域没有充分地与燃料进行反应，低于过度燃烧空气气孔7的炉子的整个下部区域，或者主燃烧区(PCZ)10，变得富含燃料。
优选的，空气也通过过度燃烧空气气孔开口(over fire air portopening)7被送入燃烧装置1的内部，以使一级燃烧区更富含燃料以及提供额外的氧气帮助燃尽区9(其被认为是燃烧区的一部分)中的燃料进行完全燃烧。通过燃烧器3送入的燃烧空气中的氧气与在开口7中送入的氧气相结合，氧气足够使燃料完全燃烧，其典型的含有超过燃料燃烧完全所需氧气量的10到15体积％的过量氧气。
燃尽区9下游的还原区或SNCR区19容纳燃烧产物。通过任何常规装置从来源29通过多个燃烧器30向还原区19中注入还原剂。优选的还原剂的实例包括氨、尿素、氰尿酸、无机和有机铵盐例如碳酸铵，以及它们的混合物。加入的还原剂的量，以NH3与NO的摩尔比进行表示，应该为0.5到3.0，优选为0.8至1.5。
优选的，在燃烧器3中送入二级和三级燃烧空气以致绕纵轴旋转，从而靠近每个燃烧器产生再循环区，改善空气和燃料的混合。可以通过已知的方法得到旋转，例如在燃烧器的二级和三级空气流的环形通道中提供导流板13和14，其能引导气流至想要的旋转方向。优选提供高度的旋转，优选旋转值在0.6到2.0，旋转值如J.M.Beer和N.A.Chigier，Robert E.Krieger Publishing company，Inc.，1983的“燃烧空气动力学”中定义。
优选通过喷嘴3供给的空气的总量，即一级、二级和三级空气的总数为完全燃烧所需空气的化学计量用量的60％到95％。最优选的是通过燃烧3送入的空气的总量是完全燃烧所需空气的化学计量用量的大约70％到85％。
每股燃烧空气流的速度优选为每秒50到200英尺。通过喷枪5注入氧气的速度优选为一级空气速度的50％到200％。
试验表明一种优选的方法是将至少一些固体颗粒或液滴暴露到高浓度的氧气中，而不是整个均匀富含的燃烧空气。将氧气注入到低NOX燃烧器的风箱21以致富化的空气(包括临界一段空气)被注入到整个炉子中的简单方法被认为不是有效的。
当氧气被预先混合或迅速地混合到采用20％化学计量空气的煤传送流中，整个燃烧的化学计量比为1.15，计算传送空气流和整个燃烧空气中的以下氧气的平均浓度。
用O2替代的      传送空气中的      整个燃烧空气中的
％SR空气(*)      O2浓度(vol％)    平均氧气浓度(vol％)
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
25                   37.4               25.4
(*例如由1.05cf纯氧代替5cf干燥空气，得到相同量的O2)
由于使用少量的氧气，当均匀混合时即使当氧气只与传送空气混合时，空气中氧气的浓度略有增加。一种优选的方法是在喷嘴的顶端将氧气注入到碳/空气传送流中。在这种情况下一些煤颗粒与氧气流混合，造成局部煤高氧气混合物区域。与氧气与传送空气流预混合的情况相比，这些情况可以提供快速点火源区，促进提前点火和脱挥发分作用。
另一优选的方法是从邻近的内部或外部环形空间将氧气注入到煤流中。在这种情况下在煤和氧气流的边界提供有利的富含氧气的燃烧条件。
当氧气平行于燃料流以高速单独被注入时，如Farmayan等人的情况(“NOX and Carbon Emission Control in Coal-Water SlurryCombustion”，Sixth International Symposium on Coal SlurryCombustion and Technology，Orlando，Florida，1984年6月25-27日)，氧气流可以迅速地被环绕气体所稀释，并可能阻碍它的效果。因此不得不仔细设计注入氧气的方法。
如这里描述的，本发明通过将氧气供给到整个烃燃料流中改进即减少燃烧装置中NOX的形成。更特别的，当烃燃料从炉子中出现以及进入燃烧装置1的内部2时，氧气(这里指包括至少50vol％O2，优选至少80vol％O2，最优选至少90vol％O2的气体流)被直接注入到烃燃料中。因而含有高浓度氧气的气态气氛中的至少一些固体燃料颗粒，或者液体燃料的液滴，视情况而定，进入燃烧装置和火焰6的富含燃料区域。
当过度燃烧空气被用于全阶段燃烧时，优选采用配备有四个单独空气通道的空气燃烧器，则使用燃烧器3的空气通道中适合的喷雾器，氧气可以与一级或二级空气或二者预先混合。
优选通过喷枪5或相似的供给管路注入氧气，其一端可以开口通向燃烧装置1，或者该端封闭并在邻近封闭端的外周具有许多开口，从而氧气通过这些开口直接流进从燃烧器进入燃烧装置的烃燃料中。
以这种方式进料的氧气量应该足够在火焰6的富含燃料区8形成化学计量比，其优选小于约0.85。优选通过管路5供给的氧气量应小于燃料完全燃烧所需化学计量用量的25％。更优选的，该量相当于小于完全燃烧燃料所需的化学计量用量的15％。
同时，通过燃烧器3送入燃烧装置1的二级和三级燃烧空气的量需要随通过喷枪5供给的氧气量相应减少。更特别的，通过燃烧器3送入的二级和三级燃烧，以及四级燃烧空气(如果使用的话)的量应当减少的量为含有通过管道5进入燃料的氧气量的10％之内的量，而过度燃烧的空气(如果使用的话)量保持不变。当深层全阶段燃烧中应用注入氧气时，通过燃烧器3送入的二级和三级燃烧，以及四级燃烧空气(如果使用的话)量，应当减少，减少的量为含有超过通过管道5送入燃料的氧气量的量，同时增加过度燃烧空气的量，从而在注入氧气前，保持总燃烧化学计量比在10％值内。
NOX排放强烈依赖局部的化学计量条件。由于注入氧气使局部的化学计量条件更贫乏，不得不考虑注入氧气后的局部化学计量条件的改变。例如，将相当于10％化学计量空气的氧气注入到化学计量比为0.4(SR＝0.4)的局部富含区，但没有改变燃烧空气，会将局部的化学计量条件改变到SR＝0.5，预期将大大降低NOX的排放。这样的效果比“用氧气替换10％的空气”同时保持局部化学计量条件固定为0.4的效果更显著。如果相同量的氧气被注入到局部化学计量条件SR＝0.95的火焰区，但不改变供给的燃烧空气量，如果局部化学计量条件增加到SR＝1.05，预期NOX排放会急剧增加。
因此，通常优选将氧气注入到火焰的最富含区域。
将氧气注入或混合到三级空气和四级(如果使用)空气中。应该避免在没有OFA的空气动力学分段燃烧器中进行。理论上采用包括空气的任何氧化剂可以优化局部化学计量条件。然而，氧气更有效，因为只需要较小的体积，并且局部的化学计量条件被改变但却没有对火焰的整个空气动力学混合条件有大的影响。
另一项重要的必要条件是必须以这样的方式进行氧气富化，即保持或增加空气动力学分段火焰的富含燃料区(“N2形成区”)的物理尺寸。注入氧气的方法以及随之发生的炉子某些空气通道中空气流的减少将影响燃烧器的空气动力学分段条件，从而影响物理尺寸以及局部化学计量条件。如果减少富含燃料区的大小，并且作为注入氧气的结果，富含燃料区的平均气体滞留时间减少，这样的改变可以导致NOX增加。例如，通过轴向喷枪高速注入氧气将有效地增加环绕煤/空气流的轴向动力，其反过来可以增加与二级和三级空气的混合。结果可以减少火焰富含燃料NOX还原区的大小以及可以增加NOX。另一方面，当从靠近炉子顶端轴向设置的氧气喷枪中径向注入氧气流时，可以有效地增加靠近炉子的再循环区，因此增加富含燃料区的尺寸，进一步促进氧气富化引起的N0X还原。对于进行NOX还原的特定燃烧器，要仔细评价注入氧气对燃烧器空气动力学条件的复杂影响。
不希望将本发明未预料到的性能束缚于任何特别的解释，根据本发明操作的燃烧装置的性能与一种机制保持一致，其中氧气的注入导致最靠近燃烧器的那部分火焰的温度增加，其反过来导致烃燃料中存在的相对挥发组分从燃料中进入气相，并与周围的氧气进行部分反应，从而产生一种相对还原的气氛，其能使从燃烧燃料中释放的含氮物质转变成分子氮，即N2，而没有转变成NOX化合物。
典型的，燃料和氧气进入的富含燃料区的温度在2500°F或更高的级别。以这种方式供给氧气能导致火焰6的基部更接近燃烧器3的开口，或甚至变得与燃烧器3相连。然而，当烃燃料从炉子中出现时，以这里描述的方式将氧气混入烃燃料以同样的方式进行，即使火焰变得与炉子相连。在稳定状态操作中，例如根据这里的教导改进了燃烧装置后，以优选小于25％，更优选小于15％完全燃烧燃料所需的化学计量的氧气量被送入燃料的基础继续操作燃烧装置，同时以小于否则将是另一种情况的量通过燃烧器供入燃烧空气，从而使供入到装置的氧气总量至少是完全燃烧燃料所需的化学计量用量。
实施例1
表1阐明采用SNCR并加入和不加氧气得到的NOX还原。在这个实施例中假定氧气还原的NOX为基线的30％，SNCR还原的NOX也为基线的30％，氨与氧化氮的注入摩尔比为1。进一步假定由于气体温度降低，当与氧气结合时，以相同的注入比，通过SNCR还原的NOX百分数增加到40％。
表1.加入和不加O2，采用SNCR还原NOX的实施例
                             结合方法    只有SNCR
NOX(1b/MMBtu)基线             0.4         0.4
注入O2后NOX(1b/MMBtu)        0.28
采用SNCR后NOX(1b/MMBtu)       0.168
0.28
SNCR的NOX还原％               40          30
NH3消耗量(1b/MMBtu)            0.108
0.148
上面的实施例显示单独用SNCR或单独注入氧气，得到的NOX还原从0.4 1b/MMBtu到0.28 1b/MMBtu。当结合使用两种方法，最终NOX排放减少到0.168 1b/MMBtu。此外，与单独使用SNCR的情况相比，在结合方法中使用的试剂量减少30％，即输入从0.148降到0.108NH3/燃料MMBtu。
实施例2
在由锅炉计算机模型模拟的以下实施例中详细描述发明。
基于热量输入，例子1，1a，1b和1c中用来自Pittsburgh#8(Pit#8)煤层的烟煤给220MW的切向燃烧锅炉加料，例子2，2a，2b，2c中使用来自Wyoming的Powder River Basin(PRB)的低级次烟煤。表2总结了煤的特性。
表2
工业分析(％，湿)
                      Pit#8            PRB
水分                  5.2              28.7
V.M                   38.1             32.0
F.C                   48.1             33.7
灰分                  8.6              5.6
总计                  100              100
元素分析(％，干)
C                      74.0                  68.30
H                      5.1                   4.91
N                      1.6                   1.00
O                      7.9                   17.25
S                      2.3                   0.70
ASH                    9.1                   7.84
总计                   100                   100
HHV(btu/1b，湿)        12540                 8650
表3中总结了下面六个例子的锅炉的操作特性。
例子1：采用空气和烟煤(Pit#8)的基线操作
例子1a、1b、1c：使用烟煤(Pit#8)和注入氧气，减少燃料输入但是蒸汽输出相同的操作
例子2：采用次烟煤(PRB)和空气的基线操作
例子2a、2b、2c：使用次烟煤和(PRB)注入氧气，减少燃料输入但蒸汽输出相同的操作
在基线操作中(例子1)，60,372 1b/hr的烟煤用含有20.67体积％的氧气和1.5体积％的水分的9,144,000SCFH的燃烧空气进行燃烧。总热量输入相应于756.6MMBtu/hr的高发热值(HHV)，总化学计量比设定为1.18以使烟道气中具有3％过量O2。煤中50％的水分在粉磨机和通向燃烧器的传输管道中被汽化。大约20％化学计量的燃烧空气作为一级空气用于传送煤粉，温度为153°F。使用余量空气作为用于燃烧的二级空气，并在空气加热器中预先加热到522°F。不使用过度燃烧空气气孔分段进行燃烧。在辐射炉区，342.5MMBtu/hr的热被锅炉水墙所吸收来产生蒸汽。炉出口气体温度(FEGT)为2,144°F。71.6和82.5MMBtu/hr的热量分别被传递到末端过热器区和再热器区，烟道气温度降低到1520°F。接着烟道气经过一级过热器/烟道气预热器区和空气加热器，并从塔中排出。锅炉效率基于燃料输入的HHV为83.5％。FEGT为2,144°F，SNCR还原的NOX估计为15％。
表3.锅炉
操作
                           例子1      例子1a     例子1b     例子1c     例子2      例子2a     例子2b     例子2c
例子定义：
煤类型                     Pit.#8     Pit.#8     Pit.#8     Pit.#8     PRB        PRB        PRB        PRB
制备中蒸发的水分％         50         50         50         50         50         50         50         50
管道内燃烧器(Y/N)          N          N          N          N          Y          Y          Y          Y
氧化剂中的氧气％           20.67      21.38      22.09      22.80      20.67      21.38      22.09      22.80
空气预热(F)                522        509        496        483        522        512        504        498
炉操作：
煤流量(lb/hr)              60372      59765      59247      58731      87522      86555      85782      84957
燃烧率                     756.6      749.0      742.5      736.0      756.6      7482       741.5      734.4
(MMBtu/hr，HHV)
管道内燃烧器               0.0        0.0        0.0        0.0        14.6       14.5       14.4       14.2
(MMBtu/hr，HHV)
氧化剂流量(SCFH)           9144000    8710885    8315947    7953390    9054000    8611378    8214228    7848213
烟道气温度(F)：
炉出口(FEGT)               2144       2137       2125       2116       2092       2087       2084       2078
离开再热器                 1520       1502       1489       1473       1506       1489       1482       1469
离开烟道气预热器           850        822        797        772        851        825        808        786
热量吸收
(MMBtu/hr)：
水墙                       342.5      350.8      358.7      365.7      320.3      326.7      334.0      340.7
末端过热器                 71.6       70.0       68.5       67.2       70.0       68.6       67.5       66.3
再热器                     85.2       82.2       79.6       76.9       84.0       82.2       79.7       77.4
一级过热器+烟道气预热器    132.2      128.5      125.0      121.8      136.3      132.5      129.0      125.8
总计                       631.5      631.5      631.8      631.6      610.6      610.0      610.2      610.2
锅炉效率：
总(％HHV煤热输入)          83.5       84.3       85.1       85.8       80.7       81.5       82.3       83.1
净(％HHV煤+NG输入)         83.5       84.3       85.1       85.8       79.2       80.0       80.7       81.5
例子1a、1b和1c中，分别用氧气替代5％，10％和15％化学计量用量的燃烧空气，注入氧气改善传热条件。氧气注入速度分别与具有21.38％，22.09％和22.80％的平均氧气浓度的富含氧气的空气相应。为了保持相同的蒸汽输出，煤燃烧速率分别下降到749.0，742.5和736.0MMBtu/hr。将总化学计量比调整到保持烟道气中具有3％的过量O2。对锅炉操作没有进行其它的改变。
例子1a中，350.8MMBtu/hr的热量被锅炉水墙所吸收来产生蒸汽。炉出口气体温度(FEGT)减少7°F为2137°F。70.0和82.2MMBtu/hr的热量分别被传递到末端过热器区和再热器区，烟道气温度下降到1502°F。在一级过热器/烟道气预热器区，128.5MMBtu/hr的热量被吸收，烟道气温度下降到822°F。尽管相同的总热量被吸收来产生过热蒸汽，然而与基线情况相比，由于氧气注入增强了辐射热交换，水墙的热吸收增加大约2.4％。另一方面，由于烟道气的质量流速降低，对流层(过热器，再热器和烟道气预热器区)的热吸收减少大约2.9％。空气预热温度从522°F的基线温度降低3°F到509°F，对于相同蒸汽输出的燃料输入减少1.0％。基于燃料的高热值，低燃料输入和低空气预热导致锅炉热效率增加0.8％达到84.3％。FEGT为2137°F，SNCR还原的NOX估计为17.5％，比15％的基线的SNCR还原的NOX提高了2.5％。
由于例子1b和1c中注入更多的氧气，所以在水墙中吸收了更多的热量，FEGT进一步分别降低到2125和2116°F。基于恒定的总热量吸收，锅炉热效分别提高1.6％和2.3％。SNCR还原的NOX估计分别为21.5％和25％，其显示比15％的基线值提高了6.5％和10％。
例子2，2a，2b，2c显示了采用次烟煤PRB燃烧相同的锅炉的结果。在例子2中，将87,522lb/hr的次烟煤用9,054,000SCFH的燃烧空气进行燃烧以保持与使用烟煤的基线有相同的756.6MMBtu/hr的总热输入量。总化学计量比设定为1.19以使烟道气中具有3％过量O2。大约20％化学计量用量的燃烧空气作为一级空气用于传送煤粉，温度保持在153F。为了在煤粉磨机和运输管道中将所加入的煤中含有的大约50％的水分汽化，使用管道内燃烧器并消耗了14.6MMBtu/hr的天然气。使用余量空气作为用于燃烧的二级空气，并在空气加热器中预先加热到522°F。对锅炉操作没有进行其它的改变。在辐射炉区，320.3MMBtu/hr的热量被锅炉的水墙吸收来产生蒸汽。炉出口气体温度(FEGT)为2,092°F。70.0和84.0MMBtu/hr的热量分别被传递到末端过热器区和再热器区。烟道气温度降低到1506°F。到一级过热器/烟道气预热器部分的热流为136.3MMBtu/hr，离开烟道气预热器的烟道气温度为851°F。基于燃料输入的HHV，锅炉效率为80.7％。包括用于干燥煤的天然气的HHV，锅炉净效率为79.2％。
例子2a，2b和2c中，分别用氧气替代5％，10％和15％化学计量用量的燃烧空气，注入氧气改善传热条件。这些氧气注入速度分别与具有21.38％，22.09％和22.80％的平均氧气浓度的富含氧气的空气相应。为了保持相同的蒸汽输出，煤燃烧率分别下降到748.2，741.5和734.4MMBtu/hr。将总化学计量比调整到保持烟道气中具有3％的过量O2。对锅炉操作没有进行其它的改变。
采用PRB煤时注入氧气对改进锅炉效率的作用与采用烟煤很相似。然而，对烟道气温差和估计的SNCR还原NOX的作用没有烟煤显著。例子2，2a，2b和2c中SNCR还原的NOX估计分别为33，34.5，35.5和37.5％。在表中显示的数据显示，期望用其它的燃料例如天然气和油也能得到相似的结果。因此结合SNCR和注入氧气的协同效应适用于不同的燃料。

Claims (11)

1.烃燃料在具有燃烧区(2)，用于在所述的燃烧区(2)中燃烧烃燃料以产生燃烧热和含有NOx的气态燃烧产物的燃烧器装置(3)，用于将所述的燃料和燃烧空气供入到所述的燃烧器装置(3)的进料装置(20，22)，以及所述的气态燃烧产物从所述的燃烧区(2)进入其中的位于所述燃烧区下游的还原区(19)的炉子(1)中进行燃烧，其中在所述的还原区(19)中存在的燃烧产物温度超过1900F，还原剂被注入所述的还原区(19)，并与所述燃烧产物中的NOx反应形成N2，从而减少否则会从所述炉子(1)排放的NOx的量，
改进包括，
将氧气注入到所述的燃料中，方法是当所述的燃料在所述的燃烧器出现时将氧气直接注入所述的燃料中或者将氧气加入到通过燃烧器注入的空气中，同时使通过所述燃烧器供入的燃烧空气减少一定量，减少量包括足够氧气，使得与不加入氧气的化学计量比相比，总燃烧区化学计量比改变不超过10％，并在所述空气和所述的氧气中燃烧燃料，
其中所述氧气的量足够降低通入所述还原区(19)的所述燃烧产物的温度，但是温度没有低于1800F，所述氧气的量小于所述燃料完全燃烧所需的化学计量用量的25％。
2.根据权利要求1的方法，其中所述的燃料含有结合氮。
3.根据权利要求1的方法，其中所述的燃料含有结合氮，所述的燃烧在低NOx燃烧器(3)中分段进行，富含燃料火焰区化学计量比在0.6-1.0之间。
4.根据权利要求1的方法，其中所述的燃料含有结合氮，所述的燃烧采用过度燃烧空气(7)分段进行，主燃烧区化学计量比在0.6-1.0之间。
5.根据权利要求1的方法，其中通过所述的燃烧器(3)注入燃料流，当燃料从燃烧器(3)中出现时，通过设置在所述流中的喷枪(5)将氧气注入到所述燃料中。
6.根据权利要求1的方法，其中通过所述燃烧器(3)的环形燃料管道(4)注入所述燃料流，通过环绕所述环形燃料通道的或被所述环形燃料通道环绕的环形通道注入氧气将氧气送入到所述燃料中。
7.根据权利要求1的方法，其中所述的燃料是煤。
8.根据权利要求7的方法，其中所述的煤含有结合氮，所述的燃烧采用低NOx燃烧器(3)分段进行，富含燃料火焰区的化学计量比在0.6-1.0之间。
9.根据权利要求7的方法，其中所述的燃烧采用过度燃烧空气(7)分阶段进行，主燃烧区化学计量比在0.6-1.0之间。
10.根据权利要求7的方法，其中通过燃烧器(3)注入煤流，当煤在燃烧器(3)中出现时，通过设置在所述流中的喷枪(5)注入氧气将氧气送入所述煤中。
11.根据权利要求7的方法，其中通过所述燃烧器(3)的环形燃料通道(4)送入煤流，通过环绕所述环形燃料通道的或被所述环形燃料通道环绕的环形通道注入氧气将氧气送入到所述燃料中。
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