CN1873325B

CN1873325B - 减少从燃烧煤粉燃烧器中产生nox产物的重定向过热空气口

Info

Publication number: CN1873325B
Application number: CN 200510098160
Authority: CN
Inventors: A·D·劳鲁
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: CN1873325A

Abstract

一种用于煤粉锅炉或炉子的过热空气(OFA)口布置具有至少一个通过各侧壁用以喷射OFA以增加各燃烧器层的停留时间的OFA口。也可使用多个OFA口，该多个OFA口垂直且水平地交错排列，以在适当的时刻和位置有效地将过热空气输入燃烧器火焰中，从而最有效地减少燃料NO_X的形成。提供了用于单壁式和对置壁式火炉和锅炉的OFA口结构。

Description

减少从燃烧煤粉燃烧器中产生NOX产物的重定向过热空气口

技术领域

本发明总体上涉及工业和电站炉子和锅炉领域，特别涉及新型有用的可以有效减少NO_X产物的用于煤粉燃烧炉或锅炉的过热空气(OFA)口结构。

背景技术

NO_X是一种从例如煤的矿物燃料的燃烧中产生的非预期副产品。许多工业用炉和锅炉燃烧作为初级燃料的煤粉。已经发现NO_X排放物对环境有负面影响，因此目前在全世界范围内都在对NO_X排放物进行管制。

燃烧煤粉的炉和锅炉内的大部分NO_X都是在矿物燃料的燃烧期间形成的。这部分NO_X形成物被称为燃料NO_X。燃料NO_X是在脱挥发和碳化燃烧（charburnout）期间由燃料和氧结合产生的氧化形成。

多年来已知的一种减少NO_X产物的有效方法是在脱挥发的关键步骤中减少氧气利用率。通过从炉中去掉一部分燃烧空气和将别处的空气导入炉内的方式可以减少氧气利用率。这种方法通常被称为空气分离。

过热空气(OFA)口通常用作炉和锅炉内的这种空气分离系统的一部分。这种OFA口的运用例如已在美国专利US3048131、US5205226和US5809913中公开。为更好地理解这种OFA系统，读者可以参考“蒸汽及发生和利用(Steam/its generation and use)”,1992年第40版,Stultz & Kitto,Eds.,Babcock & Wilcox公司具有该版的版权。这篇文章在此导入作为参考，就好像其在此已全文登出一样，尤其应参考其中的第13章第13-6至13-11页。

在NO_X抑制中过热空气的效率取决于过热空气的量、过热空气回引处的燃烧器火焰位置和回引率。增加过热空气量有助于从燃烧器中降低NO_X水平，但过热空气量的连续增加最终也将导致NO_X的量增加。这是由于燃烧移动到炉或锅炉中OFA口之外的某一区域进行而引起的。

由于OFA系统的目的是使化学反应能穿过一低氧浓度区，以抑制NO_X形成为碳氢化合物，优选为清除氧，所以过热空气的导入炉中的导入点同样很重要。过早增加过热空气将会由于预期的化学反应被中断而失去益处。而且，为了避免增加炉内的富氧区，OFA增加率也很重要。通常是将过热空气逐渐导入燃烧过程中，以完成燃烧，而不是在局部向火焰注入大量氧气。同时OFA口必须设计有足够的喷射动量，以穿透炉腔（furnace enclosure），并向整个炉腔提供过热空气。

图1和2示出了一种通用的燃烧器和OFA口以及所形成的火焰通路的现有技术装置。炉腔10具有三层燃烧器12、14、16。图示的炉腔10是一种典型的双冲锅炉；即燃烧器12、14、16定向为通过炉腔10的前、后壁30、32彼此对置。穿过炉腔10的前、后壁30、32的最高层的开孔由OFA口20组成。

图2中示出了由前、后壁30、32上的各排燃烧器12、14、16产生的相似的火焰通路13、15、17。底层燃烧器12水平喷火，因此从相对的燃烧器12中发出的火焰通路13在炉腔10的中心位置附近发生碰撞。未燃烧的可燃物和热气在集中在炉腔10的中间处的通路13a中向上流。第二层燃烧器14受到气体和可燃物的上向流的影响，使得从相对燃烧器14中喷出的第二层火焰通路15在炉腔10的中心附近向上弯曲。第三层燃烧器16更加受到向上气流的影响，因此从这些燃烧器喷出的第三层火焰通路17比第二层火焰通路15更快地向上弯曲。

如图所示，OFA空气通路22与第二和第三层燃烧器火焰通路15、17交叉，并靠近向上流的气体和可燃物。图1和2所示的这种传统的OFA口构造虽然很有用，但在向炉腔10内喷入OFA时，结果会有很大的变化。在其它因素中，由于在燃烧器和OFA口之间停留时间的差异，和通过炉内的气流中导致OFA和火焰通路的不同的相互作用的差异，因而减少NO_X的效果不一致。

当用于一个600兆瓦(MW)的电站锅炉或炉子设备中时，图1和2所示的OFA结构将具有一个计算出的从燃烧器到OFA口的总体流动停留时间，其中下燃烧器12的停留时间为2.7秒、第二层燃烧器14的停留时间为1.3秒，而第三层燃烧器16的停留时间则只有0.6秒。因此，第三层燃烧器16相对于OFA的导入区会遭受到不充足的停留时间，这将会导致增加产生的NO_X量。往往，减少这种类型的炉子中的NO_X排放的最有效的方法是不使用第三层燃烧器16。

另一种增加第二和第三层燃烧器14、16的停留时间的方法是增加OFA口20和第三层燃烧器16之间的距离。但是，这需要在炉腔10的上炉区中增加额外空间。由于增加OFA口20的空间需要一个更高的炉腔10，从而增加了成本，并需要更大的建筑物。

因此需要这样一种OFA结构，其在燃烧器和OFA口之间可以提供一致的最小的停留时间，但不需要一个更大的炉子或不使已经存在的燃烧器停止工作。而且，还需要一种能更好地控制各燃烧器层的OFA口空气流，以减少NO_X排放。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种新型的用于进一步减少燃烧煤粉地炉和锅炉中的NO_X产物的OFA口装置。

本发明的另一目的是提供一种用于改进燃烧器和OFA口之间的停留时间的OFA口构造。

为了实现上述发明目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于矿物燃料火炉或锅炉的过热空气口装置，包括：形成炉腔的前、后壁和一对侧壁；通过前壁和后壁的至少其中之一的垂直间隔分布的底层、第二和第三层燃烧器，当矿物燃料燃烧时，该底层、第二和第三层燃烧器在该炉腔内分别形成底层、第二和第三火焰通路；以及过热空气口装置，它被构成为有效地减少在炉腔内燃烧期间所产生的燃料NO_X，该过热空气口装置具有：通过至少一个侧壁的至少一个下过热空气口，其设置用以将过热空气横向地喷入底层火焰通路中；和通过至少一个侧壁的至少一个中间过热空气口，该口垂直间隔分布在所述至少一个下过热空气口之上，且从所述至少一个下过热空气口处水平地偏移，其设置用以将过热空气横向地喷入至少一个第二和第三层火焰通路中。

较佳地，在上述过热空气口装置中，还包括至少一个通过至少一个侧壁的上过热空气口，该上过热空气口垂直间隔分布在所述至少一个中间过热空气口之上，且从所述至少一个中间过热空气口处水平地偏移，用以将过热空气横向地喷入到第三层火焰通路中。

较佳地，在上述过热空气口装置中，还包括至少一个通过所述前壁和后壁的至少其中之一的过热空气口，该过热空气口用以将过热空气喷入到第三层火焰通路中。

较佳地，在上述过热空气口装置中，该炉腔具有宽深比约大于1的横截面。

较佳地，在上述过热空气口装置中，所述至少一个通过所述前壁和后壁的至少其中之一的过热空气口基本上置于炉腔宽度的中心处。

较佳地，在上述过热空气口装置中，所述至少一个中间过热空气口包括多个彼此相邻的过热空气口。

较佳地，在上述过热空气口装置中，所述至少一个中间过热空气口包括多个沿前壁和后壁之间的垂直中心线对称设置的过热空气口。

较佳地，在上述过热空气口装置中，每个过热空气口垂直间隔分布在对应的燃烧器之上，并从该对应的燃烧器处水平地偏移，以便与所述燃烧器的火焰通路成横向关系。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于矿物燃料火炉或锅炉的过热空气口装置，包括：形成炉腔的前、后壁和一对侧壁；通过前壁和后壁的至少其中之一的垂直间隔分布的底层、第二和第三层燃烧器，当矿物燃料燃烧时，该底层、第二和第三层燃烧器在该炉腔内沿向上方向分别形成底层、第二和第三火焰通路；以及过热空气口装置，它被构成为有效地减少在炉腔内燃烧期间所产生的燃料NO_X，该过热空气口装置具有：通过至少一个侧壁的至少一个下过热空气口，其设置用以将过热空气横向地喷入底层火焰通路中；和通过至少一个侧壁的至少一个中间过热空气口，该口垂直间隔分布在所述至少一个下过热空气口之上，且从所述至少一个下过热空气口处水平地偏移，其设置在所述燃烧器上方、用以将过热空气横向地喷入至少一个第二和第三层火焰通路中。

本发明的OFA系统的炉子或锅炉，其中多个过热空气口设置在炉腔侧壁上，用以向燃烧器火焰通路横向导入OFA。OFA口最理想地设置为在各个燃烧器层火焰通道处喷射过热空气，且提供良好的停留时间。气流速率、空气喷射速度和动量都调整为产生最大效率、且能使过热空气在预期燃烧器层火焰通路处喷入炉腔，而能避免由于在更高的燃烧器层中出现的过量的氧而增加NO_X产物。

第一种OFA口装置提供给具有三个燃烧器层的对置壁式火炉或锅炉。一个OFA口设置在大约炉腔的中心位置处喷射空气，从底层燃烧器喷出的火焰在此中心位置处相会。一对OFA口垂直间隔设置在其上方并水平地朝向前、后壁，以与第二层燃烧器的火焰通路大致相交。第二对OFA口进一步设置在第一对之上且更靠近前、后壁，用以喷射与第三层燃烧器的火焰通路相交的OFA。

另一种构造提供给宽炉腔，其中一些OFA口设置在侧壁中，其它的一些OFA口则位于前和/或后壁上。这些OFA口设置为通过侧壁并间隔地导入过热空气，以与从底层燃烧器中喷出的火焰通道相交。用于向例如三种高度燃烧器层结构中的第二层和第三层燃烧器的上层燃烧器的火焰通路中喷入空气的OFA口，位于炉腔的前和/或后壁上。或者，底层OFA口设置为通过侧壁并隔开地导入过热空气，以与底层火焰通道相交，且上层OFA口也设置为通过侧壁导入过热空气，以与第二层燃烧器火焰通路相交。用于向第三层燃烧器的燃烧器火焰通路喷入过热空气的OFA口位于炉腔的前和/或后壁上。

另一种构造提供给单壁式火炉和锅炉，其中燃烧器仅设置为通过前壁。OFA口以常规的对角线方式分布在炉侧壁上，该对角线从与后壁相邻的炉腔下端延伸通向与前壁相邻的炉腔上端。与燃烧器层数量相当的OFA口或比燃烧器层数量还多的OFA口设置为形成所述对角线布置。这些OFA口设置为至少将过热空气喷射穿过炉腔，并通常会进入各个燃烧器层的火焰通路中。

在从属于该公开内容并形成该公开内容的一部分的权利要求书中特定指出了一些不同的表征本发明的新特征。为了更好地理解本发明、理解其运行优点和由其使用而获得的特定目的，参考使用了所附的附图和相关描述，其中举例说明了本发明的优选实施例。

附图说明

在所有附图中：

图1是一位于现有技术炉腔上的燃烧器和OFA口的局部前试图；

图2是图1所示的现有技术炉腔的侧视图，其示出了炉腔内的火焰通路；

图3是具有本发明的过热空气口构造的炉腔的侧视图；

图4是本发明的过热空气口构造的另一种实施例的侧视图；

图5是本发明的过热空气口构造的另一种实施例的局部透视图；

图6是本发明的过热空气口构造的另一种实施例的局部透视图；和

图7是用于单壁火炉或锅炉的本发明的过热空气口构造的一种实施例的侧视图。

具体实施方式

现在参见附图，其中在七幅附图中相同的附图标记都用于表示相同的或功能相似的元件，图3-6各自都示出了一种包括本发明的OFA构造的对置壁式火炉的炉腔10。和图1和2所示的炉腔10一样，在图3-6的每幅图中，前、后壁30、32上分别设置有三个燃烧器层12、14、16。但是，正如那些本领域的技术人员可以意识到的一样，本发明可适用于具有更少或更多燃烧器层的单壁式和对置壁式火炉腔10。

图3中，过热空气口200、202、204位于侧壁35中而不是位于前壁或后壁30、32中。OFA口200、202、204设置为使得喷射空气可以总体上分别与火焰通路13a、15、17横向交叉。也就是说，下OFA口200将会向底层燃烧器12的火焰喷射过热空气，中OFA口202向第二层燃烧器14提供OFA，上OFA口204则向第三层燃烧器16的火焰喷射空气。

OFA口200、202、204垂直地且水平地间隔分布，使得下OFA口200最靠近炉下端和中心，而上OFA口204最靠近前壁和后壁30、32，且最靠近炉10的上端。OFA口200、202、204设置为能最好地向炉腔10的横截面提供OFA，且能在燃烧器区中进行完全燃烧。过热空气量、空气喷射速度和动量选择为能确保过热空气冲入炉中，能确保经由这些口200、202、204供给的过热空气与燃烧器燃烧器通路13a、15和17的良好混合。

间隔设计为在可以使NO_X产物减到最少的时刻向燃烧器火焰通路输送OFA。OFA口200、202、204的垂直和水平间隔防止了在过热空气与第二和第三层燃烧器14、16的火焰通路15、17之间发生不期望的相互作用。OFA口200、202、204的交错排列结构避免了公知OFA系统的问题，在这种公知OFA系统中，过热空气向上层燃烧器14、16的火焰通路15、17供给得太快。因此，本发明的横向OFA供给结构可以更有效地减少燃料NO_X。

尽管下OFA口200图示为位于底层燃烧器火焰通路13的交叉点之上，但是可以将其设置得更向下一些、使其在更靠近该交叉点之处喷射OFA。从底层燃烧器12中喷出的火焰预期为在火焰通路13相交之后不久，便已完全进行碳化反应（char reactions）。因此，OFA在该交叉点附近的导入不会有害地产生更多的燃料NO_X产物。

可以将OFA口200、202、204的位置调节为能更精确地将过热空气导入预期的火焰通路13、13a、15或17中。同时，将OFA口的位置设置为能在燃烧器和过热空气之间提供充分的停留时间。

例如，图4示出了另一种只具有两层OFA口200、202的OFA口结构。该OFA口200、202还是水平和垂直地交错排列。但是底层OFA口200基本上沿炉腔10的垂直中心线（前、后壁30、32之间）对称分布，因此也沿由燃烧器火焰通路13a表示的上升且可燃的气流对称分布。中层OFA口202设置在底层OFA口200的上方，且比下OFA口200更靠近前、后炉壁30、32。

图5的OFA口结构最适合用于宽度(W)与深度(D)的截面比接近或超过2的炉腔10中，但是将其用于物理结构上很宽（例如宽于40英尺）而不管宽深比是多少的炉腔10中也是理想地。OFA口200、202设置为通过炉的两侧壁35，用以在下层燃烧器12、14的位置横向喷射过热空气。在某种环境中，只可以采用一个OFA口200，其基本上位于各个侧壁35的中心处。如果还采用了附加的OFA口202，则将它们沿OFA口200对称设置，且设置在稍微高一点的位置上，如图中所示和前面所述。附加OFA口208设置在炉的前、后壁30、32的中心线附近、且高于最高排燃烧器16的位置上。可通过本领域技术人员熟知的计算流体动力（CFD）模拟技术来确定这些OFA口208的特定数量和位置。通常由于希望过热空气能穿透进最中心的部分，所以当炉宽W开始增加时，便将第一OFA口208应用在前、后壁30、32的大约中心线的位置，且当炉宽W进一步增加时（很大的W/D比），便要采用附加OFA口208，其优选为基本上对称设置在前、后壁30、32的中心线两侧。当宽度开始增加时，前壁OFA口208与单独使用横向定向的OFA口相比能更好地将OFA空气导入炉腔10的中心处。OFA口200或208的尺寸选择为可以确保充足的过热空气量，空气喷射速度和动量设置为可确保过热空气冲入炉腔10中，进而确保经由这些孔供给的过热空气与燃烧器火焰通路13a、15和17的良好混合。

在某种环境中，可能希望将OFA口208设置成可以覆盖前、后壁30、32的宽W更多的部分，即使炉腔10的W/D比等于或接近于1，或者甚至小于1，也是如此。图6示出了这种炉腔结构的应用，其中W/D比不大于1，各个侧壁35上至少设置一个OFA口200，和多个OFA口208，以便沿炉宽度W方向覆盖除炉腔10的一中心部分之外的更多部分。位于各个侧壁35上的至少一个OFA口200置于与那些位于前、后壁30、32上的OFA口208大约相同的高度上。在该实施例中，这些侧壁OFA口200通常会提供约30％的过热空气，位于前、后壁30、32中的多个OFA口208提供其余地过热空气。在某种环境下，各个侧壁35上的至少一个OFA口200可以置于与上排燃烧器16大约相同的高度上，如图6中的200A所示，或者甚至可以置于一个更低的大约对应于燃烧器区的中心C的高度上；也就是置于三层燃烧器结构中的中间排燃烧器14的高度位置上，如图6中的200B所示。

图7示出了另一种与单壁火炉一起使用的OFA口结构，其中燃烧器12、14、16只设置在炉腔10的前壁30上。在这种炉子中，火焰通路最初主要是受后壁32的影响。底层、第二层和第三层燃烧器12、14、16的火焰通路13、15、17分别由图中所示线路表示。

OFA口200、202、204和206设置为通过炉腔侧壁35喷射OFA。OFA口200、202、204分别设置为在燃烧器12、14、16的火焰通路的位置上喷射过热空气。OFA口206提供额外的最接近前壁30的空气，以确保燃料完全燃烧。

可以改变设置在任何给定层上的OFA口200、202、204、206、208的特定数量，以最好地向选定区域输送OFA。例如，尽管图3示出了一个下OFA口200，图4示出了两个，但是如果需要可以使用三个或更多，以确保良好的燃烧和覆盖。如上所述，在设置OFA口时，主要考虑的是向给定层的适当火焰通路提供OFA，从而确保各燃烧器层合适的停留时间。

本发明的OFA结构解决了空气向第二和第三层燃烧器导入得太快的问题，且不需要一个更高的炉腔。此处的OFA结构提供了一种更有效的用于控制NO_X而不必停止使用一些燃烧器层的系统。这些OFA结构是一种花费不多的设计，这种设计可以调整OFA导入火焰通路的导入点，以最好地控制给定类型炉子的NO_X。

本发明的OFA结构还提供了更好的空气混合控制，使得从上层燃烧器喷出的火焰不会太快地充满空气。至少底层中的OFA口的横向方向可使OFA更好地喷向底层燃烧器火焰，而不会与第二和第三层（或更高）的燃烧器火焰发生干扰。OFA可以从侧壁中喷出足够的量，以在预期的火焰通路中产生良好的穿透和分布，而不损害其它燃烧器层火焰通路。由于第二和第三层火焰在OFA导入之间具有足够的时间燃烧，因而可以减少NO_X产物。因此，借助于OFA口相对于燃烧器层的横向方向可以使空气分级更有效。应当相信的是，本发明通过侧壁提供的过热空气的百分比可以达到总过热空气量的20至100％。该范围的上限表示所有过热空气都通过侧壁OFA口提供的情形，而该范围的下限则是表示过热空气既由根据本发明的两侧壁OFA口又由前、后壁OFA口导入的情形。

虽然详细图示并描述了本发明的一些特定实施例，以说明本发明原理的应用，但是本领域的技术人员应当意识到，可以根据后面的权利要求所包括的内容来改变本发明的形式，而不会偏离本发明的原理。例如，本发明可应用于包括工业用或电站蒸汽发生器、锅炉或炉子的新结构，或者可用于对现有的工业或电站蒸汽发生器、锅炉或炉子进行替代、维修或改进。在本发明的一些实施例中，较好的是本发明的某些特征有时不必与其它特征一起应用。例如，OFA口可以单独地用于侧壁上，或者与前壁上的或前、后壁上的OFA口组合使用，这取决于此处所描述的燃烧装置。因此，所有这些改变和实施例都完全落入下列权利要求的范围和等效物之内。

Claims

1.一种用于矿物燃料火炉或锅炉的过热空气口装置，包括：

形成炉腔的前、后壁和一对侧壁；

通过前壁和后壁的至少其中之一的垂直间隔分布的底层、第二和第三层燃烧器，当矿物燃料燃烧时，该底层、第二和第三层燃烧器在该炉腔内分别形成底层、第二和第三火焰通路；以及

过热空气口装置，它被构成为有效地减少在炉腔内燃烧期间所产生的燃料NO_X，该过热空气口装置具有：

通过至少一个侧壁的至少一个下过热空气口，其设置用以将过热空气横向地喷入底层火焰通路中；和

通过至少一个侧壁的至少一个中间过热空气口，该口垂直间隔分布在所述至少一个下过热空气口之上，且从所述至少一个下过热空气口处水平地偏移，其设置用以将过热空气横向地喷入至少一个第二和第三层火焰通路中。

2.如权利要求1所述的过热空气口装置，其特征在于，还包括至少一个通过至少一个侧壁的上过热空气口，该上过热空气口垂直间隔分布在所述至少一个中间过热空气口之上，且从所述至少一个中间过热空气口处水平地偏移，用以将过热空气横向地喷入到第三层火焰通路中。

3.如权利要求1所述的过热空气口装置，其特征在于，还包括至少一个通过所述前壁和后壁的至少其中之一的过热空气口，该过热空气口用以将过热空气喷入到第三层火焰通路中。

4.如权利要求3所述的过热空气口装置，其特征在于，该炉腔具有宽深比约大于1的横截面。

5.如权利要求3所述的过热空气口装置，其特征在于，所述至少一个通过所述前壁和后壁的至少其中之一的过热空气口基本上置于炉腔宽度的中心处。

6.如权利要求1所述的过热空气口装置，其特征在于，所述至少一个中间过热空气口包括多个彼此相邻的过热空气口。

7.如权利要求1所述的过热空气口装置，其特征在于，所述至少一个中间过热空气口包括多个沿前壁和后壁之间的垂直中心线对称设置的过热空气口。

8.如权利要求7所述的过热空气口装置，其特征在于，该炉腔具有宽深比约大于1的横截面。

9.如权利要求1所述的过热空气口设置，其特征在于，每个过热空气口垂直间隔分布在对应的燃烧器之上，并从该对应的燃烧器处水平地偏移，以便与所述燃烧器的火焰通路成横向关系。

10.一种用于矿物燃料火炉或锅炉的过热空气口装置，包括：

形成炉腔的前、后壁和一对侧壁；

通过前壁和后壁的至少其中之一的垂直间隔分布的底层、第二和第三层燃烧器，当矿物燃料燃烧时，该底层、第二和第三层燃烧器在该炉腔内沿向上方向分别形成底层、第二和第三火焰通路；以及

通过至少一个侧壁的至少一个中间过热空气口，该口垂直间隔分布在所述至少一个下过热空气口之上，且从所述至少一个下过热空气口处水平地偏移，其设置在所述燃烧器上方、用以将过热空气横向地喷入至少一个第二和第三层火焰通路中。

11.如权利要求10所述的过热空气口装置，其特征在于，还包括至少一个通过至少一个侧壁的上过热空气口，该上过热空气口垂直间隔分布在所述至少一个中间过热空气口之上，且从所述至少一个中间过热空气口处水平地偏移，用以将过热空气横向地喷入到第三层火焰通路中。

12.如权利要求10所述的过热空气口装置，其特征在于，还包括至少一个通过所述前壁和后壁的至少其中之一的过热空气口，该过热空气口用以将过热空气喷入到第三层火焰通路中。

13.如权利要求12所述的过热空气口装置，其特征在于，该炉腔具有宽深比约大于1的横截面。

14.如权利要求12所述的过热空气口装置，其特征在于，所述至少一个通过所述前壁和后壁的至少其中之一的过热空气口基本上置于炉腔宽度的中心处。