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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese
Offenbarung bezieht sich allgemein auf Verbrennungs-Systeme für
Energieanlagen und, spezieller, auf Verbrennungs-Systeme mit verringerten
Stickstoffoxid-Emissionen.
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Während
eines typischen Verbrennungs-Prozesses innerhalb z. B. eines Ofens
oder Dampferzeugers wird eine Strömung von Verbrennungsgas
oder Rauchgas erzeugt. Bekannte Verbrennungsgase enthalten Verbrennungsprodukte
einschließlich, darauf jedoch nicht beschränkt,
Kohlenstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasser, Wasserstoff, Stickstoff,
Schwefeldioxid, Chlor und/oder Quecksilber, die als ein Resultat
des Verbrennens von Brennstoffen erzeugt werden. Verbrennungsgase
enthalten auch Stickstoffoxide (NOx), üblicherweise
in Form einer Kombination von Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid
(NO2). Es wurde verschiedene Technologien
auf Verbrennungs-Systeme angewendet, um die Emissionen von NOx zu minimieren, doch sind weitere Verbesserungen
erforderlich.
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1 zeigt
ein Verbrennungs-System 100 nach dem Stande der Technik.
Wie gezeigt, schließt ein Verbrennungs-System 100 nach
dem Stande der Technik eine brennstoffarme Hauptverbrennungszone 120, eine
Wiederverbrennungs(reburn)zone 124 und eine Ausbrandzone 126 ein,
die von der Basis des Verbrennungs-Systems 100 nach dem
Stande der Technik aus übereinander angeordnet sind. Diese
verschiedenen Zonen des Verbrennungs-Sys tems 100 nach dem
Stande der Technik sind innerhalb eines Gehäuses 110 eingeschlossen.
Innerhalb der Hauptverbrennungszone 120 unterliegt der
Brennstoff einer Verbrennung und bildet ein Rauchgas, das nach oben
in die Wiederverbrennungszone 124 strömt. Der
Begriff „Rauchgas”, wie er hierin benutzt wird,
bezieht sich auf die Verbrennungsprodukte, einschließlich,
darauf jedoch nicht beschränkt, Kohlenstoff, Kohlendioxid,
Kohlenmonoxid, Wasser, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefeldioxid,
Chlor, NO, NO2 und/oder Quecksilber, erzeugt
als ein Resultat des Verbrennens von Brennstoffen. Flugasche ist
aus dem Rauchgas ausgeschlossen, wenn man Aufenthaltszeiten in dem
Verbrennungs-System berechnet.
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Die
Mengen von Brennstoff und Luft, die der Hauptverbrennungszone 120 des
Verbrennungs-Systems 100 des Standes der Technik zugeführt
werden, sind ausgewählt, um darin brennstoffarme Bedingungen
zu erzielen. Der Begriff „brennstoffarm”, wie
er hierin benutzt wird, bezieht sich auf einen Zustand, der weniger
als eine stöchiometrische Menge Brennstoff für
die Umsetzung mit dem O2 in der Luft verfügbar
hat, d. h., ein stöchiometrischen Verhältnis (SR)
von mehr als etwa 1,0. Das exakte SR in der Hauptverbrennungszone 120 des Verbrennungs-Systems 100 nach
dem Stande der Technik variiert in Abhängigkeit von der
Brennstoffart und dem Design des Verbrennungs-Systems, liegt jedoch
allgemein im Bereich von etwa 1,05 bis etwa 1,10. Das in der Hauptverbrennungszone 120 erzeugte
Rauchgas strömt dann in die Wiederverbrennungszone 124 und Brennstoff
wird durch ein oder mehrere Wiederverbrennungs-Einlässe 134 zu
dem Rauchgas hinzugegeben. Die Menge des durch die Wiederverbrennungs-Einlässe 134 hinzugegebenen
Brennstoffes ist wirksam, um brennstoffreiche Bedingungen in der
Wiederverbrennungszone 124 zu erzeugen. Der Begriff „brennstoffreich”, wie
er hierin benutzt wird, bezieht sich auf einen Zustand, der mehr
als eine stöchiometrische Menge Brennstoff verfügbar
zur Umsetzung mit dem O2 in der Luft hat,
d. h., ein SR von weniger als etwa 1,0. Das genaue SR in der Wiederverbrennungszone 124 des
Verbrennungs-Systems 100 des Standes der Technik variiert
in Abhängigkeit von der Brennstoffart und dem Design des
Verbrennungs-Systems, doch liegt es allgemein im Bereich von etwa
0,85 bis etwa 0,95.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Verbrennungs-Systeme
mit verringerten Stickstoffoxid-Emissionen und Verfahren zu deren
Benutzung sind hierin offenbart. In einer Ausführungsform
wird ein Verbrennungs-System bereitgestellt. Das Verbrennungs-System
schließt eine Verbrennungszone ein, die einen Brenner zum
Umwandeln eines Brennstoffes unter brennstoffreichen Bedingungen
in ein Rauchgas einschließt. Ein Zwischenstufenluft(ISA)-Einlass
befindet sich stromabwärts der Verbrennungszone, um Zwischenstufenluft
dem Rauchgas zuzuführen und brennstoffarme Bedingungen
zu erzeugen. Eine Wiederverbrennungszone befindet sich stromabwärts
von dem Zwischenstufenluft-Einlass zum Empfangen des Rauchgases.
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In
einer anderen Ausführungsform wird ein Prozess zum Benutzen
eines Verbrennungs-Systems bereitgestellt. Der Prozess schließt
das Zuführen eines Brennstoffes und Luft unter brennstoffreichen
Bedingungen zu einer Verbrennungszone ein, die einen Brenner aufweist,
um ein Rauchgas zu bilden. Zwischenstufenluft wird dem Rauchgas
durch einen Zwischenstufenluft-Einlass stromabwärts der
Verbrennungszone zugeführt, um brennstoffarme Bedingungen
zu erzeugen. Das Rauchgas wird dann zu einer Wiederverbrennungszone
stromabwärts des Zwischenstufenluft-Einlasses kanalisiert.
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In
einer anderen Ausführungsform wird ein Verfahren zum Verringern
des in die Wiederverbrennungszone eines Verbrennungs-Systems strömenden
NOx bereitgestellt. Das Verfahren schließt
das Zuführen eines Brennstoffes und Luft unter brennstoffreichen
Bedingungen zu einer Verbrennungszone ein, die einen Brenner einschließt,
um ein Rauchgas zu bilden. Zwischenstufenluft wird dann durch einen
Zwischenstufenluft-Einlass stromabwärts der Verbrennungszone
dem Rauchgas zugeführt, um brennstoffarme Bedingungen zu
erzeugen. Das Rauchgas wird dann zu einer Wiederverbrennungszone
stromabwärts von dem Zwischenstufenluft-Einlass kanalisiert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Diese
und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile des beispielhaften Verbrennungs-Systems
werden besser verstanden beim Lesen der folgenden detaillierten
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung,
in der:
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1 ein
schematisches Diagramm ist, das eine Querschnitts-Seitenansicht
eines Verbrennungs-Systems nach dem Stande der Technik zeigt,
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2 ein
schematisches Diagramm ist, das eine Querschnitts-Seitenansicht
einer Ausführungsform eines Verbrennungs-Systems mit verringerten
Niveaus von Stickstoffoxiden zeigt,
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3 grafisch
die grundlegenden NOx-Emissionskurven veranschaulicht,
die durch ein Kohle-über-Kohle-Wiederverbrennungsmodell
erzeugt werden, das unter Benutzung von Felddaten für ein
Verbrennungs-System unter Benutzung eines traditionellen (Stand
der Technik) Wiederverbrennungs-Systems, das in 1 gezeigt
ist, und für zwei Ausführungsformen eines Verbrennungs-Systems
kalibriert wurde, das in 2 gezeigt ist,
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4 grafisch
NOx-Emissionen als eine Funktion des Verlustes
bei der Zündung (loss on ignition) (LOI) für verschiedene
simulierte Verbrennungssystem-Prozessbedingungen veranschaulicht,
bei der die ISA-Strömungsrate bei zwölf Prozent
(12%) der stöchiometrischen Luftströmungsrate
konstant gehalten ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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2 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform des Verbrennungs-Systems 200,
das für verschiedene Anwendungen, wie in einem mit fossilem
Brennstoff betriebenen Dampferzeuger, Ofen, Triebwerk, Verbrennungs-Vorrichtung
usw. benutzt werden kann. Eine besonders geeignete Anwendung des
Verbrennungs-Systems 200 ist als eine Quelle der Energieerzeugung
in einer Energieanlage. Die Hauptverbrennungszone 220 ist
mit (nicht gezeigten) ein oder mehreren Hauptbrennern ausgerüstet,
wie speziell entworfenen Brennern zum Erzeugen geringer Niveaus
von Stickstoffoxiden (NOx). In einer Ausführungsform
schließt die Hauptverbrennungszone 220 zwei oder
mehr Brenner ein, die in zwei oder mehr Reihen angeordnet sind.
Brennstoff und Primärluft werden zusammen durch ein oder
mehrere Einlässe 228 der Hauptverbrennungszone 220 zugeführt.
Sekundärluft wird auch allgemein durch Einlässe 228 der
Hauptverbrennungszone 220 zugeführt. Die der Hauptverbrennungszone 220 zugeführten
Mengen an Brennstoff und Luft sind ausgewählt, um darin brennstoffreiche
Bedingungen zu erzielen. Das genaue SR in der Hauptverbrennungszone 220 variiert
in Abhängigkeit von der Brennstoffart und dem Ofendesign,
doch wird es geringer als etwa 1,0 sein. In einer Ausführungsform
beträgt das SR in der Hauptverbrennungszone 220 etwa
0,90 bis etwa 0,95. Beispiele geeigneter Brennstoffe zum Einsatz
in der Hauptverbrennungszone 220 schließen fossile
Brennstoffe, wie Lignitkohle, bituminöse Kohle, subbituminöse
Kohle, Anthrazitkohle, Öl oder Gas, wie Erdgas oder vergaste
Kohle, verschiedene Arten von Biomasse und Kombinationen ein, die
mindestens einen der vorgenanten Brennstoffe einschließen,
sind jedoch darauf nicht beschränkt. Irgendeine geeignete
Form von Brennstoff kann der Hauptverbrennungszone 220 zugeführt
werden, einschließlich pulverisierter Kohle, die unter
Einsatz einer Kohlemühle gemahlen ist. Innerhalb der Hauptverbrennungszone 220 unterliegt
der Brennstoff einer Verbrennung und bildet ein Rauchgas, das nach
oben zu der Zwischenstufenluft-Zone 222 strömt.
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Das
in der Hauptverbrennungszone 220 erzeugte Rauchgas strömt
zu der Zwischenstufenluft(ISA)-Zone 222. In dieser Zone
wird Luft durch ein oder mehrere Zwischenstufenluft-Einlässe 232 dem Rauchgas
zugeführt. Die Menge der der Zone 222 zugeführten
ISA ist wirksam, brennstoffarme Bedingungen zu erzeugen, d. h.,
SR von mehr als etwa 1,0. In einer Ausführungsform wird
der Zone 222 genügend ISA zugeführt,
um ein SR von etwa 1,05 bis etwa 1,10 zu erzeugen. Die Strömung
in den ISA-Einlass 232 kann durch einen ISA-Dämpfer 231 reguliert
werden.
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In
einer Ausführungsform ist der ISA-Einlass 232 ein
außer Dienst stehender Brenner (BOOS), durch den Kühlluft
injiziert wird. Auf diese Weise kann ein existierender Ofen an ISA
angepasst werden, indem man Kühlluft durch die existierende
obere Reihe von Brennern strömen lässt, was diese
zu ISA-Einlässen 232 macht. Dies geschieht zu
minimalen Kosten und vermeidet zusätzliche Wanddurchführungen
in einen Ofen für das Verbrennungs-System 200.
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In
einer anderen Ausführungsform werden die in der oberen
Reihe der Hauptverbrennungszone 220 existierenden Brenner durch
Injektoren ersetzt, die speziell zum Injizieren von ISA entworfen
sind. In dieser Weise können die Geschwindigkeit und das
Vermischen der ISA in der ISA-Zone 222 besser für
das System optimiert werden, aber neue Ofen-Wanddurchführungen
sind nicht erforderlich. Alternativ werden die in der oberen Reihe
der Hauptverbrennungszone 220 existierenden Brenner blockiert
und neue Injektoren, die spezifisch zum Injizieren von ISA entworfen
sind, werden in einer Höhe unterhalb, gleich wie oder oberhalb
der oberen Brennerreihe angeordnet. Dies erfordert zusätzliche
Wanddurchdringungen für die ISA-Einlässe 232. In
einer anderen Ausführungsform befindet sich der ISA-Einlass 232 oberhalb
(stromabwärts) der oberen Brennerreihe der Hauptverbrennungszone 220.
Dies gestattet die Nutzung der gesamten existierenden Brenner in
der Hauptverbrennungszone 220, erfordert jedoch keine zusätzlichen
Wanddurchdringungen für die ISA-Einlässe 232.
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Die
durch den ISA-Einlass 232 zugeführte ISA kann
in Form kühler Umgebungsluft, erhitzter Luft oder sowohl
kühler Umgebungsluft als auch erhitzter Luft vorliegen,
wobei erhitzte Luft bevorzugt ist. In einer Ausführungsform
wird die ISA derart verstärkt, dass sich die zugeführte
ISA bei einem höheren Druck befindet. Dies kann unter Einsatz
ein oder mehrerer rotierender Gebläse erfolgen. Das Verstärken
der ISA kann verbesserte Niveaus der Luftstrahl-Eindringung und
des Mischens in der ISA-Zone 222 erzielen.
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Das
brennstoffarme Rauchgas tritt dann in die Wiederverbrennungszone 224 ein
und Brennstoff wird dem Rauchgas durch ein oder mehrere Wiederverbrennungs-Einlässe 234 zugefügt.
Der Brennstoff ist typischerweise von Trägergas begleitet.
Das Trägergas kann Trägerluft, verstärkte
Rauchgas-Rückführung (FGR) oder irgendein anderes
geeignetes Gas für den spezifischen Brennstoff- und das
Ofendesign sein. Die Men ge des durch die Wiederverbrennungs-Einlässe 234 zugefügten
Brennstoffes ist wirksam, um brennstoffreiche Bedingungen in der
Wiederverbrennungszone 224 zu erzeugen. Das genaue SR in
der Wiederverbrennungszone 224 des Verbrennungs-Systems 200 variiert
in Abhängigkeit von der Brennstoffart und dem Verbrennungssystem-Design,
liegt jedoch allgemein in einem Bereich von etwa 0,85 bis etwa 0,95.
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Das
in der Wiederverbrennungszone 224 gebildete Rauchgas strömt
dann weiter durch das Verbrennungs-System 200 und wird
wahlweisen Operationen und Behandlungen unterworfen. In einer Ausführungsform
strömt das in der Wiederverbrennungszone 224 gebildete
Rauchgas nach oben zur Ausbrandzone 226, die stromabwärts
der Wiederverbrennungszone 224 liegt. Überverbrennungs-
bzw. Ausbrandluft (overfire air)(OFA), auch als separate Überverbrennungsluft
(SOFA) bekannt, wird durch Einlass 236 zu der Ausbrandzone 226 zugeführt.
Die OFA-Strömung durch Einlass 236 kann durch
einen OFA-Dämpfer 235 reguliert werden. Die OFA
führt das System zu brennstoffarmen Gesamtbedingungen zurück,
d. h., SR größer als etwa 1,0. Das genaue SR variiert
in Abhängigkeit von der Brennstoffart und dem Ofendesign.
In einer Ausführungsform ist das SR in der Ausbrandzone 226 etwa
1,15 bis etwa 1,3. Die OFA kann bei einem relativ höheren
Druck durch Einlass 236 zu der Ausbrandzone 226 hinzugegeben
werden, wie mit verstärkter Überverbrennungsluft (BOFA).
Dies kann unter Anwendung eines oder mehrerer rotierender Verstärkungsgebläse
erfolgen. Die BOFA kann in der Form kühler Umgebungsluft,
erhitzter Luft oder sowohl kühle Umgebungsluft als auch
erhitzter Luft vorliegen, wobei erhitzte Luft bevorzugt ist. Die
Einführung der BOFA kann erwünschte Niveaus des Luftstrahl-Eindringens
und Vermischens in der Ausbrandzone 226 erzielen.
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Luft
kann zu den verschiedenen Stufen im Verbrennungs-System 200 aus
einer Vielzahl von Quellen zugeführt werden. In einer Ausführungsform
liefert ein Windkasten Sekundärluft zu den Einlässen 228 der Hauptverbrennungszone,
ISA zu den ISA-Einlässen 232 und/oder OFA zu den
OFA-Einlässen 236 durch Kanal 238. In
einer anderen Ausführungsform wird Luft zu einem oder mehreren
Einlässen 228, 232 und 236 durch
(nicht gezeigte) separate Kanäle geliefert. Die Kontrolle
der Strömung zu den verschiedenen Einlässen kann
verknüpft oder unabhängig sein. Die Quelle der
Luft und die Konfiguration des Kanals sind für das Verbrennungs-System 200 nicht
kritisch und sie können angepasst sein, um zu dem speziellen
Ofendesign zu passen.
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Das
Rauchgas in der Ausbrandzone 226 gelangt stromabwärts
zu einem Auslass 244, wo das Rauchgas aus dem Verbrennungs-System 200 austritt.
Während des Strömens des Rauchgases zum Auslass 244 strömt
das Rauchgas an der Spitze der Dampferzeugernase 240 vorbei
und kann durch einen oder mehrere Wärmeaustauscher 242 strömen,
um als eine Wärmequelle zu dienen.
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Die
Aufenthaltszeit der durch verschiedene Regionen des Verbrennungs-Systems 200 strömenden Substanzen
variiert in Abhängigkeit von Brennstoff- und Luft-Strömungsraten.
Der Begriff „Aufenthaltszeit”, wie er hierin benutzt
wird, bezieht sich auf die mittlere Zeit, über die sich
das Rauchgas in einer definierten Region des Ofens befindet. Der
Betrieb des beispielhaften Ofens erfolgt derart, dass es genügend
Aufenthaltszeit gibt, damit die Umwandlung des NOx stattfindet.
Die erforderliche genaue Aufenthaltszeit hängt von dem
Ofendesign, der Art des primären Brennstoffes und/oder
der Art des Wiederverbrennungs-Brennstoffes ab. In einer Ausführungsform
beträgt eine Aufenthaltszeit des Rauchgases in einer Region
des Verbrennungs-Systems 200 zwischen einer Mittellinie
des Zwi schenstufenluft-Einlasses 232 und einer Mittellinie
des Wiederverbrennungs-Einlasses 234 etwa 100 bis etwa
400 Millisekunden (ms). In einer alternativen Ausführungsform
beträgt eine Aufenthaltszeit des Rauchgases in einer Region
des Verbrennungs-Systems 200 zwischen der Mittellinie des
Wiederverbrennungs-Einlasses 234 und einer Mittellinie
des Überverbrennungsluft-Einlasses 236 etwa 300
bis etwa 1.000 ms. Im Allgemeinen erfordern Brennstoffe, die rasch
verdampfen und sich rasch mischen relativ geringe mittlere Aufenthaltszeiten.
In einer anderen alternativen Ausführungsform ist eine
Aufenthaltszeit des Rauchgases in einer Region des Verbrennungs-Systems 200 zwischen
einer Mittellinie des OFA-Einlasses 236 und der Spitze
der Dampferzeugernase 240 größer als
etwa 300 ms. In noch einer anderen alternativen Ausführungsform
beträgt eine Aufenthaltszeit des Rauchgases in einer Region
des Verbrennungs-Systems 200 zwischen einer Mittelinie
einer oberen Brennerreihe und einer Mittellinie der Spitze der Dampferzeugernase 240 (d.
h., die gesamte Aufenthaltszeit des Verbrennungs-Systems) mehr als
etwa 1.300 ms. Der Begriff „Mittellinie”, wie
er hierin benutzt wird, bezieht sich auf eine imaginäre
Linie, die durch die Mitte eines Gegenstandes verläuft.
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Der
Gebrauch von Mittelstufenluft in dem beispielhaften Verbrennungs-System 200 gestattet
es der Hauptverbrennungszone 220 bei brennstoffreichen
Bedingungen zu arbeiten. Dies vermindert das anfängliche NOx-Strömen in die Wiederverbrennungszone 224,
um die NOx-Gesamtemissionen um z. B. etwa
10% bis etwa 25%, verglichen mit dem Wiederverbrennen ohne Zwischenstufenluft,
zu verbessern. In mindestens einem bekannten Verbrennungs-System
haben sowohl das Luft- als auch Brennstoff-Abstufen üblicherweise
die unerwünschte Nebenwirkung der Erhöhung der
Emissionen an CO und nicht verbranntem Kohlenstoff in Flugasche,
gemessen durch Verlust-beim-Zünden (LOI). In der beispielhaften
Ausführungsform-ergibt die Anwendung von ISA zusätzliche
Flexibilität und Kontrolle von CO und LOI, während
geringe NOx-Niveaus aufrechterhalten werden.
Die Anwendung von ISA, kombiniert mit BOFA, kann auch helfen, durch
Verbessern des Eindringens von Luft in das Verbrennungsgas und deren
Vermischen damit, die CO-Emissionen und Emissionen an unverbranntem
Kohlenstoff zu akzeptableren Niveaus zu restaurieren. Diese Art
integrierter Technologie kann NOx-Emissionen
zu weniger als oder gleich etwa 200 Milligramm/Newton-Kubikmeter
(mg/Nm3) bei etwa 6% trockenem O2 oder etwa 0,163 US-Pfund/Millionen Btu
(lb/MMBtu) zu verringern, sodass die Forderung der Large Combustion
Plant Directive (LCPD), Phase 2, der Europäischen Union
hinsichtlich der NOx-Emissionen erfüllt
wird. Das Verbrennungs-System 200 kann auch den LOI bei
einem genügend geringen Niveau halten, um zu gestatten,
dass Flugasche-Abfall in Europa verkauft wird. Diese Technologie
ist auch billiger als die selektive katalytische Reduktions(SCR)-Technologie.
Das Verbrennungs-System 200 ist daher eine Alternative geringer
Kosten zur SCR-Technologie.
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In
zusätzlichen Ausführungsformen kann das oben beschriebene
Verbrennungs-System mit einem selektiven, nicht katalytischen Reduktionssystem
(SNCR), wie den SNCR-Systemen, die in
US-PS
5,853,683 beschrieben sind, kombiniert werden. So kann,
z. B., ein SNCR-System stromabwärts von dem Verbrennungs-System
angeordnet sein. Das Kombinieren der ISA-, BOFA- und SNCR-Technologien
in einer Ernergieerzeugungseinheit kann NO
x-Emissionen
zu weniger als oder gleich etwa 123 mg/Nm
3 bei
etwa 6% trockenem O
2 oder etwa 0,1 lb/MM
Btu reduzieren, was die Erfordernisse der Clean Air Interstate Rule
(CAIR) der Vereinigten Staaten erfüllt. Als solches kann
die Kombination dieser Technologien in einem geschichteten Herangehen
zur NO
x-Kontrolle eine effektive Reduktion
der NO
x-Emissionen bei zusätzlicher
Flexibilität beim Kontrollieren von CO und LOI ergeben.
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Die
Offenbarung wird weiter durch die folgenden, nicht einschränkenden
Beispiele veranschaulicht.
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BEISPIELE
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Eine
Ausführungsform des beispielhaften Verbrennungs-Systems
wurde in einem vorexistierenden Wand-gefeuerten Dampferzeuger getestet.
Da der obere Ofen recht groß war, war das System nicht
optimiert, vielmehr war das System zum Arbeiten innerhalb existierender
Beschränkungen entworfen. Eine Reihe von Tests wurde ausgeführt,
bei denen bituminöse Kohle in dem Wand-gefeuerten Dampferzeuger
verbrannt wurde, der bei seiner maximalen kontinuierlichen Belastung
(MCR) arbeitete. Es gab ursprünglich vier Höhen
von Brennern mit geringem NOx. Die Brenner
in der oberen Reihe wurde außer Dienst gestellt, indem
man während der Wiederverbrennungs-Operation den Brennstoff
zu ihnen abstellte, sodass sie Brenner außerhalb des Betriebes
(BOOS) wurden. Die BOOS wurden zu ISA-Einlässen umgewandelt,
indem man durch sie hindurch sekundäre Kühlluft
lieferte. Die durch die BOOS injizierte Sekundärluft diente
als die ISA. Die ISA-Strömungsrate blieb bei etwa 12% der
stöchiometrischen Strömungsrate der gesamten Luftzufuhr
in das System während der Reihe von Tests. Durch die zentrale
Kohleleitung strömte keine Primärluft in die BOOS,
während sie als ISA-Einlässe benutzt wurden. Eine
Reihe von Tests wurde bei verschiedenen stöchiometrischen
Brenner- und Wiederverbrennungs-Verhältnissen ausgeführt.
In diesen Tests wurde Kohle über Kohle-Wiederverbrennung benutzt.
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3 zeigt
eine grafische Darstellung projizierter NOx-Emissionen
als eine Funktion der Prozent Wiederverbrennungs-Brennstoff, wobei
das stöchiometrische Verhältnis, das in die Wiederverbrennungszone (SR1)
eintrat, als ein Kurven-Charakterisierungsparameter benutzt wurde.
In allen Fällen wurde das stöchiometrische Dampferzeuger-Gesamtverhältnis
bei etwa 1,15 konstant gehalten und die ISA-Strömungsrate
für die erfindungsgemäßen Fälle
wurde bei etwa 12% der stöchiometrischen Luftströmungsrate
konstant gehalten. Diese Kurven wurden aus einem Modell erzeugt,
das unter Benutzung der Felddaten kalibriert worden war, die in
den oben beschriebenen Tests erzeugt wurden. Emissionen für
vier Fälle sind angegeben. Der erste Fall ist das System 100 nach
dem Stande der Technik (gezeigt in 1), ohne
ISA (Stand der Technik RB SR1 = 1,05). Der zweite Fall entspricht
einer beispielhaften Ausführungsform des Verbrennungs-Systems 200 (gezeigt
in 2) mit Kühlluft strömend als
ISA durch die obere Brennerreihe, die außer Dienst gestellt
wurde (BOOS ISA-Einlass SR1 = 1,07). Der dritte und vierte Fall
entspricht alternativen Ausführungsformen des Verbrennungs-Systems 200,
bei denen die Brenner der oberen Reihe durch Einzelrohr-Luftinjektoren
ersetzt wurde, die zum Verbessern des Vermischens entworfen sind
(Einzelrohr-ISA-Einlass SR1 = 1,05 und Einzelrohr-ISA-Einlass SR1
= 1,10).
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Alle
gezeigten Wiederverbrennungssystem-Konfigurationen waren in der
Lage, NOx-Emissionen unterhalb etwa 200
mg/Nm3 beim Niveau von etwa 6% trockenem
O2 (0,163 lb/MMBtu) zu erzielen. Das beispielhafte
System 200 mit SR1 = 1,05 war jedoch in der Lage, NOx-Niveaus gut unterhalb von etwa 200 mg/Nm3 bei etwa 6% trockenem O2 über
einen weiten Bereich von Wiederverbrennungs-Brennstoffraten zu erreichen. Dieses
Beispiel zeigt, dass ISA in dem beispielhaften Verbrennungs-System 200 nicht
nur Flexibilität beim Kontrollieren von NOx-Emissionen
ergibt, sondern auch das Potenzial hat, die Kontrolle über
LOI und CO zu verbessern. Diese zusätzliche Kontrolle über
LOI und der Antrieb zu Prozessbedingungen, die Gesamtemissionen
(NOx, LOI, CO) minimieren, ist in 4 deutlich
gemacht.
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4 zeigt
eine grafische Darstellung von NOx-Emissionen
als eine Funktion von LOI für verschiedene Wiederverbrennungs-Betriebsbedingungen
für die Einzelrohr-ISA-Einlass-Ausführungsform
des beispielhaften Systems 200 (gezeigt in 2),
verglichen mit einem Wiederverbrennungs-System 100 des
Standes der Technik (gezeigt in 1), das
ISA nicht benutzte. Das kalibrierte NOx-Modell
wurde benutzt, NOx-Emissionen zu bestimmen,
während ein kalibriertes Computer-Strömungsmitteldynamik
(CFD)-Modell benutzt wurde, LOI-Emissionen (Prozent in Asche) zu
bestimmen. Ohne irgendeine Wiederverbrennung oder ISA würden NOx-Emissionen etwa 541 mg/Nm3 bei
etwa 6% trockenem O2 (0,440 lb/MMBtu) und
(nicht gezeigtes) LOI bei etwa 1,86% liegen. Wie in 4 gezeigt,
ermöglichte es die Anwendung der Wiederverbrennung dem
besten System nach dem Stande der Technik NOx-Emissionen
von 187 mg/Nm3 bei 6% O2 trocken
(0,152 lb/MMBtu) zu erzielen, wobei LOI etwa 2,82% betrug. Das beispielhafte
System 200 war bei Nutzung von ISA zu signifikant geringeren
NOx-Emissionen in der Lage, wie mit Test
2 bei etwa 142 mg/Nm3 bei etwa 6% O2 trocken (0,115 lb/MMBtu), wobei LOI mit
etwa 4,17% höher war. Kombiniert mit ISA benutzte dieses
Beispiel eine tiefe Brennstoff-Abstufung, die Brennstoff zu einer
höheren Ofenhöhe verschob, was zu weniger Kohlenstoffausbrand-Aufenthaltszeit
und somit höherem LOI führte. Das beispielhafte
System 200 war jedoch bei Nutzung von ISA auch in der Lage,
sowohl geringe NOx-Emissionen als auch geringes
LOI zu erzeugen, wie in Test 5 gezeigt. Dieser repräsentierte
den besten Fall, der modelliert wurde, und ergab NOx-Emissionen
von etwa 163 mg/Nm3 bei etwa 6% O2 trocken (0,133 lb/MMBtu), und LOI von etwa
2,17%. Das beispielhafte System 200 ergab bei Nutzung von
ISA eine bisher nicht erreichbare Flexibilität in der Fähigkeit,
sowohl LOI als auch NOx in dem Verbrennungs-System
zu kontrollieren.
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Die
Begriffe „ein” und „eine”, wie
sie hierin benutzt werden, bedeuten keine Beschränkung
der Menge, sondern bezeichnen vielmehr die Anwesenheit mindestens
eines der bezeichneten Dinge. Darüber hinaus schließen
die Endpunkte aller Bereiche, die auf die gleiche Komponente oder
Eigenschaft gerichtet sind, den Endpunkt und unabhängig
alle Kombinationen ein (z. B. „etwa 5 Gew.-% bis etwa 20
Gew.-%” schließt die Endpunkte und alle Zwischenwerte
der Bereiche von „etwa 5 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-%” ein).
Die Bezugnahme in der Beschreibung auf „eine Ausführungsform”, „eine
andere Ausführungsform” usw. bedeutet, dass ein
spezielles. Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Eigenschaft),
das in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben ist,
in mindestens einer hierin beschriebenen Ausführungsform
eingeschlossen ist und in anderen Ausführungsformen vorhanden
sein kann oder nicht. Zusätzlich sollte klar sein, dass
die beschriebenen Elemente in irgendeiner geeigneten Weise in den
verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden können. Es
sollte auch klar sein, dass die Offenbarung nicht auf irgendwelche
hierin beschriebenen Theorien beschränkt ist. Sofern nichts
Anderes ausgeführt, haben technische und wissenschaftliche
Begriffe, die hierin benutzt werden, die gleiche Bedeutung, wie
sie üblicherweise der Fachmann im Stande der Technik versteht,
zu dem diese Erfindung gehört.
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Diese
Beschreibung benutzt Beispiele zum Offenbaren der Erfindung, einschließlich
der besten Art, und zum Befähigen eines Fachmanns, die
Erfindung auszuführen, einschließlich der Herstellung
und Benutzung irgendwelcher Vorrichtungen oder Systeme und des Ausführens
irgendwelcher einbezogener Verfahren. Der patenfähige Umfang
der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und er
kann andere Beispiele einschließen, die dem Fachmann zugänglich
sind. Solche anderen Beispiele sollen in den Umfang der Ansprüche fallen,
wenn sie Strukturelemente aufweisen, die sich vom Wortlaut der Ansprüche
nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Strukturelemente
einschließen, die nur unwesentliche Unterschiede zum Wortlaut
der Ansprüche haben.
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Ein
Verbrennungs-System
200 wird bereitgestellt. Das Verbrennungs-System
200 schließt
eine Verbrennungszone
220, die einen Brenner zum Umwandeln
eines Brennstoffes unter brennstoffreichen Bedingungen zu einem
Rauchgas einschließt, einen Zwischenstufenluft-Einlass
232 stromabwärts
der Verbrennungszone zum Zuführen von Zwischenstufenluft
zu dem Rauchgas und Erzeugen brennstoffarmer Bedingungen und eine
Wiederverbrennungszone
224 stromabwärts des Zwischenstufenluft-Einlasses
zum Aufnehmen des Rauchgases ein. Teileliste
| 100 | Verbrennungs-System
nach dem Stande der Technik |
| 110 | Gehäuse |
| 120 | Hauptverbrennungszone |
| 124 | Wiederverbrennungszone |
| 126 | Ausbrandzone |
| 134 | Wiederverbrennungs-Einlässe |
| 200 | Verbrennungs-System |
| 220 | Hauptverbrennungszone |
| 222 | Zwischenstufenluft(ISA)-Zone |
| 224 | Wiederverbrennungszone |
| 226 | Ausbrandzone |
| 228 | Einlässe |
| 231 | ISA-Dämpfer |
| 232 | Zwischenstufenluft(ISA)-Einlässe |
| 234 | Wiederverbrennungs-Einlässe |
| 235 | Überverbrennungsluft(OFA)-Dämpfer |
| 236 | OFA-Einlass |
| 238 | Kanal |
| 240 | Dampferzeugernase |
| 242 | Wärmeaustauscher |
| 244 | Auslass |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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