TW200523509A - Low NOx combustion using cogenerated oxygen and nitrogen streams - Google Patents

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200523509 (1) 九、發明說明 [發明所屬之技術領域〕 本發明有關特別包含煤之結合氮的碳化氫燃料之燃燒 【先前技術〕 環境意識在該美國及全球正日漸成長，致導增加公眾 及管制壓力，以減少來自鍋爐、焚化爐、及爐膛之污染物 散發。特別關切之一污染物係氮氧化物（這意指氮之氧化 物，諸如、但不限於 NO, NOS, NO% N2〇，N2〇3; Ναι N3 〇4，及其混合物），其已捲入酸雨、地表層臭氧、及細 微顆粒之形成。 許多技術係可用於減少氮氧化物散發。這些技術能分 成主要及次要之二重要類別。主要技術藉著控制該燃燒製 程使該燃燒區中之氮氧化物形成減至最小或防止之。次要 技術利用化學藥品以將該燃燒區中所形成之氮氧化物還原 至分子氮。本發明係一主要控制技術。 於主要控制技術中，使用不同燃燒策略以控制所謂“ 熱氮氧化物及燃料氮氧化物”。熱氮氧化物係主要在 高溫下之燃燒空氣中藉著氮分子N2之氧化所形成。不包 含化學結合氮類屬之天然氣及輕石油係氮氧化物散發之主 要來源。減少熱氮氧化物之主要控制策略係減少最高燃燒 溫度。氮氧化物燃料係藉著包含於燃料中之氮類屬之氧化 所形成，且係來自煤及重油燃燒之氮氧化物散發之主要來 200523509 (2) 源。本發明有關改良之燃燒方法，以控制氮氧化物燃料散 發。 用於氮氧化物燃料之主要控制技術係一般稱爲階段式 燃燒’其中小心地控制該燃燒空氣及燃料間之混合，以使 氮氧化物之形成減至最少。來自氮燃料之氮氧化物之形成 係基於來自該燃料揮發物及燒灼氮中之含氮類屬的氮氧化 物形成及氮氣形成間之一競爭。富含氧之狀態驅使該競爭 朝向氮氧化物形成。富含燃料之狀態驅使該等反應形成氮 氣。階段式燃燒藉著小心地控制空氣及燃料之混合利用此 現象’以形成一 g含燃料之區域，而防止氮氧化物形成。 爲減少氮氧化物散發，該富含燃料之區域必須足夠熱，以 驅動氮氧化物減少運動學。然而，充分之熱必須由該富含 燃料之第一階段傳送至該爐膛熱負載，以免於該第二階段 中之熱氮氧化物形成。 一傳統之低氮氧化物燃燒器（L 〇 w Ν Ο X B u r n e r，下文 簡稱LNB )包含一富含燃料之第一區，其接近該進料孔口 ’並主要藉著燃料及主要空氣之混合及燃燒所控制，且至 某種程度，在該區中混合額外之第二或第三空氣。對於粉 化煤之燃燒，該主要空氣係用於運送該煤粒。 於一第二區中，該第二空氣及任何第三空氣之殘留物 與來自第一階段之未燃燒燃料及局部燃燒之產物混合，且 完成該燃燒。對於階段式燃燒之一重要製程需求係由該富 含燃料之第一階段傳送充分之熱量至該爐膛熱負載，以冷 卻來自第一階段之燃燒產物。較低之第二階段溫度有助於 -6 - 200523509 (3) 減少剩餘含氮化合物之轉換成氮氧化物，及亦有助於防止 熱在該第二階段中之氮氧化物形成。 於一空氣動力階段式LN B中，所有該燃燒空氣係由 相同之燃燒□或毗連該燃燒口導入。一低氮氧化物煤燃燒 器之最普通結構係爲具有用於煤/主要空氣、第二空氣及 第三空氣之一系列環狀通道。該中心之通道通常係用於油 槍或用於天然氣供開始加熱。第二及第三氣流係配備有漩 禍發電機，以賦予漩渦流動，而爲火燄穩定建立一循環區 。調整空氣速度及漩渦，以沿著該燃燒器之軸建立一相當 大富含燃料之第一區，隨之沿著該爐膛之長度相對逐漸混 合第二及第三空氣。既然必須提供充分之空氣速度，以在 該爐膛空間內混合燃料及空氣而達成燃燒，其難以建立一 很大之富含燃料區，以爲最大氮氧化物還原提供一足夠長 之停留時間。 雖然該LN B係一不貴之方式，以減少氮氧化物，且 於該燃燒器設計中已作很多進步，對於電站鍋爐所燃燒之 煤，目前可用之版本尙未能達到每Μ Μ B t u煤0 . 1 5磅（如 N 0 2 )之待審法令中之散發物限制。 藉著利用“過度燃燒空氣” （Over Fire Ah•，下文簡 稱0FA )之一總體階段式燃燒設備，那些熟練於該技藝者 已克服一空氣動力階段式LNB之限制。0FA係由一燃燒 器或一群燃燒器分開地注入，以提供一大富含燃料之主要 燃燒區（Primary Combustion Zone，下文簡稱 PCZ )及一 燒燼區（B u r η 〇 u t Ζ ο n e，下文簡稱B 0 Z )，在此藉著混合 200523509 (4) 〇F A及未燃燒燃料及來自該P C Z之局部燃燒產物完成燃 燒。該〇FA通口典型係由該最近之燃燒器分開至少一燃 燒口直徑，及由該最遠方之燃燒器分開數個燃燒口直徑。 雖然該燃料及空氣混合及接近一個別燃燒器之燃燒口之局 部化學計量狀態係類似於那些沒有0FA者，一大富含燃 料PCZ係形成在該燃燒空氣混合區接近該燃燒器之外面 。由於OFA注入口之物理分離，於該富含燃料PCZ中之 停留時間係比典型於一空氣動力階段式燃燒器之富含燃料 桌一區中所獲得者遠較長。LNB及OFA通口之結合已能 夠進一步減少氮氧化物散發。 S. J· Johnson及R. J. Yang ( “來自低氮氧化物燃燒 系統之小及中間尺寸測試結果之解析” ，1 9 8 0年5月1 2 -14日在荷蘭Noordwijkerhout市之國際火談硏究基金會先 進燃燒技術會議）發現，來自二階段燃燒製程所燃燒煤之 氮氧化物散發係強烈地依該第二階段之溫度而定。其於小 及中間尺寸測試爐膛中進行之實驗結果指示：於該理論之 第二階段溫度中，氮氧化物散發物對於華氏每1 00度下降 係減少達大約百分之1 6。 至該第二階段之廢氣循環（F 1 u e G a s R e c i 1· c u 1 a t i ο η， 下文簡稱FGR )係各種測試方法之一，以減少該第二階段 溫度。FGR能於該燃燒室中提供大量冷卻。然而，該廢氣 之體積係藉著FGR所增加，這於該對流區段中造成一較 高壓降及一較大熱傳’且限制一給氣鍋爐所允許之最大量 F G R。再者，處理再循環廢氣係很密集性維修的。依由該 200523509 (5) 系統所擷取之廢氣而定，其可包含飛灰及/或將使得再循 環設備腐蝕之硫酸蒸氣。此外，其將具有殘留之熱程度及 典型之低壓，該低壓需要較大管子以處理該流速，及依空 氣之滲入該煙道系統及該鍋爐運轉之整個化學計量而定可 具有高於所想要之氧氣程度。假如需要將空氣稀釋至某一 氧氣程度，後一狀態亦可需要較大體積之廢氣。該氣體之 骯髒本質亦造成難以測量及控制；及當系統故障時，它們 之修理係昂貴的，以致未必能修理。此外，鍋爐之任何不 合格操作（例如高C 0程度）能將這些不想要之污染物帶 入該鍋爐殼體，萬一滲漏擴大應建立操作員安全性議題、 或萬一易燃氣體係存在於該再循環氣流中應建立製程安全 性議題。此外，該再循環廢氣之成份將依鍋爐操作之條件 而定及能於鍋爐瞬變或不合格操作條件期間變化。 低氮氧化物燃燒器及過度燃燒空氣代表一相當成熟之 技術，且如此係已遍及該專利及舊文獻廣泛地討論。已提 出很多主意以增強LNB之及OFA之有效性，而使有害之 衝擊減至最小，諸如不佳之火燄穩定性及於該灰燼中增加 之碳。這些主意之二主意係特別有關=將該空氣預熱至該 第一階段，及將該燃燒室轉換成氧氣-燃料點火。 對於減少燃料氮氧化物，藉著增加該主要燃燒區中之 溫度而不增加該化學計量比，空氣預熱及氧氣-燃料燃燒 兩者增進階段式燃燒之有效性。由於較低之氣體流動，氧 氣-燃料燃燒於該富含燃料之區域中提供較長停留時間之 額外優點，這已顯示可減少氮氧化物散發。如上面所討論 -9- 200523509 (6) ，階段式燃燒利用一富含燃料之階段，以增進氮氣而非氮 氧化物之形成。既然形成氮氣之反應係動態地控制，該溫 度及該碳化氫自由基之濃度對減少氮氧化物形成係重要白勺 。譬如’假如該溫度係高及該自由基濃度係低的，諸如在 未分段式或稍微階段式狀態之下，氮氧化物形成係增加。 當該自由基之濃度係局，但該溫度係低時，諸如在深入階 段式狀態之下，諸如HCN至氮氣之中間類屬之轉換係減 緩。當空氣係加至完成燒燼時，該中間產物氧化以形成氮 氧化物，因此該淨氮氧化物形成係增加。 1 97 6年1 1月伊利諾州芝加哥市AlChE之第69次年 度會議、S ar〇 fi m等人“於帶有氮燃料之燃燒期間控制氮 氧化物散發之策略”，及其他已經建議該第一階段運動學 能藉著預熱該燃燒空氣至相當高溫度而增強。交替地， Kobayashi 等人（1989 年 5 月在 Noordwijkerhout 市之國 際火燄硏究基金會第9次成員會議、“在富含氧氣之燃燒 條件下的工業燃燒器之氮氧化物散發特性及控制方法”） ，建議利用氧氣代替空氣供燃燒將亦增加該運動學。當藉 著燃燒器設計控制火燄溫度時，氧氣-燃料燃燒藉著大體 上消除燃燒空氣中之氮氣進一步減少熱氮氧化物形成。於 兩案例中，該淨結果係增加該第一階段中之氣體溫度’導 致減少氮氧化物形成。再者，利用空氣預熱及氧氣-燃料 點火兩者允許該第一階段成爲更深入階段式，而不會使該 火燄穩定性惡化。這允許甚至進一步減少氮氧化物形成。 氧氣-燃料點火對於LNB提供進一步優點。T]m〇thy -10 - 200523509 (7) 等人（“單一微粒煤燃燒之特性” ，]9 8 3年燃燒協會之 第十九次燃燒（國際）座談會）呈現當煤係在富含氧氣之 條件中燃燒時，該液化時間係顯著地減少，及該揮發產出 係增加。這些測試係在高度燃料不足之條件下施行之單一 微粒燃燒測試，這不會提供在更實際之燃燒條件下需要多 少氧以達成此燃燒之資訊。與該基準線作比較，越高之揮 發產出意指該氣相中之可燃物增加一導致一更富含燃料之 氣相，並禁止來自該揮發氮類屬之氮氧化物形成。此外， 該燃料揮發物迅速地點燃及使該火燄固定至該燃燒器，這 已顯示有較低之氮氧化物形成。增強之揮發產生亦導致較 短之燒燼時間，因爲留下更少之燒灼。 雖然先前技藝對於階段式燃燒及L N B敘述數個美好 之增強’一些實用之問題已限制其應用。首先，預熱該燃 燒空氣至所需程度以增強該運動學需要對該系統及空氣管 道兩者作數個修改。該空氣加熱器及節約裝置區段必須修 改’以允許進來之空氣被加熱至較高溫度，這可能需要對 該蒸汽循環零組件之其餘部份作修改。該通風管及風箱、 以及該燃燒器本身亦必須作修改，以處理熱氣。所有這些 修改可爲昂貴及在該鍋爐之操作上能具有一負面衝擊。 利用鍋爐中之氧氣-燃料點火之主要障礙係氧氣之成 本。爲了經濟地利用氧氣，藉著增加該製程效率所達成之 燃料節約必須大於所供給氧氣之成本。對於高溫操作，諸 如沒有顯著熱回收之爐膛，這是輕易地達成。然而，用於 更有效率之操作，諸如鍋爐，藉著利用氧氣-燃料點火所 -11 - 200523509 (8) 能獲得之燃料節約典型係遠低於氧氣之成本。譬如，假設 一典型之燒煤電站鍋爐係由空氣點火轉換至氧氣點火，將 需要來自該鍋爐之功率輸出之大約百分之]5至2 0，以產 生所需要之氧。淸楚地是，這對大部份鍋爐係不經濟的。 該鍋爐中之氧氣-燃料點火或富含氧氣燃燒之另一潛 在問題係於該鍋爐之輻射及對流區段中的熱傳之不均衡。 當富含氧氣之燃燒係應用至一設計供空氣點火之鍋爐爐膛 時，廢氣之體積係減少，且更多熱量變得可用及傳送於該 輻射區段中，及較少之熱量係傳送於該對流區段中。廢氣 循環可變得需要，以便對該鍋爐之各種熱傳區段（亦即水 壁、過熱器、再熱器、及節約裝置、及供水加熱器）維持 適當之熱傳。然而，處理再循環廢氣係很密集維修的，且 其想要的是具有另一選擇之淸潔沖淡氣流。 當該鍋爐之點火條件依該蒸氣渦輪機所需之功率輸出 而定變化時，來自一燒煤鍋爐之氮氧化物散發之控制問題 係進一步複雜化。在鍋爐關閉條件之下，必須維持用於該 燃燒器及磨煤機之最小氣流需求，且需要維持經過該鍋爐 之適當質量流，以平衡該鍋爐之輻射（爐膛）及對流區段 間之蒸氣產生。爲達成此目的，該燃燒器典型係以過量之 空氣運轉，這是一種無效率之操作條件，且通常增加該整 個化學計量比，並常常導致每MMBtu燃燒有較高之氮氧 化物散發。雖然可應用廢氣循環以減少該過量空氣之需求 ，其使該鍋爐操作複雜化及增加維修顧慮。 如此，仍然需要一種用於達成減少包含一或更多含氮 -12 - 200523509 Ο) 化合物之燃料（特別是煤）燃燒中的氮氧化物散發之方法 ，且尤其用於一種可在現存爐膛中施行而不需大量結構修 改或維修之方法。 [發明內容〕 本發明之一論點係一種減少氮氧化物散發量之燃燒方 法，其包含： (A )提供一燃燒裝置； (B )將主要空氣及燃料經過一燃燒器餵入該裝置， 該燃燒器包含用於將第二空氣餵入該燃燒裝置之機構，及 選擇性地包含用於將第三空氣餵入該燃燒裝置之機構； (C )將該燃燒裝置外側之空氣分開成一富含氧氣之 氣流及一富含氮氣之氣流； (D )燃燒一火燄中之燃料，而將該富含氧氣之氣流 之至少一部份餵入該火燄，及； (E )最好經過用於供給第二空氣之機構及用於供給 第三空氣之機構之一或兩者，將該富含氮氣之氣流之至少 一部份餵入該燃燒裝置。 本發明之一較佳具體實施例係一種減少氮氧化物散發 量之燃燒方法，其包含： (A )提供一燃燒裝置，其具有一主要燃燒區及一燒 燼區； (B )將空氣及燃料經過一燃燒器餵入該主要燃燒區 -13 - 200523509 (10) (C)將空氣分開成一富含氧氣之氣流及一富含氣氣 之氣流； (D )於該主要燃燒區中燃燒一火燄中之燃料，而將 該富含氧氣之氣流之至少一部份餵入該主要燃燒區； (E )以包含充分氧氣之數量將來自異於該燃燒器之 來源的空氣加入該燒燼區，餵入該裝置之總氧氣數量係至 少需要完全燃燒該燃料之化學計量，並於該燒燼區中燃燒 來自該主要燃燒區之殘留可燃物；及 (F )將該富含氮氣之氣流之至少一部份加入該燃燒 裝置。 本發明之具體實施例最好涉及將煤注入一鍋爐、經由 燃燒空氣將少於所需之總氣流供給至該鍋爐之製程步驟。 燃燒所需之殘留空氣係送至一空氣分離廠，在此其分成其 成份：一富含氧氣之氣流、及一富含氮氣之附帶氣流。該 富含氧氣之氣流係接近該餵煤點注入該鍋爐中之富含燃料 之火燄區，以使氮氧化物燃料形成減至最小，且該富含氮 氣之氣流係與第二或第三燃燒空氣或與過度燃燒空氣（ OFA )注入燃燒之一稍後階段，以減少燃燒溫度及氧濃度 ，導致減少燃料氮類屬之轉換成氮氧化物，及亦減少熱氮 氧化物之產生。該鍋爐燃燒系統最好係配備有用於減少氮 氧化物之OFA通口，且該富含氮之氣體係最好在該OFA 通口之下藉著與OFA預先混合所注入，或分開地由該 OFA通口或接近該OFA通口注入。 由該燃燒裝置轉向至該空氣分離廠之空氣數量典型將 -14 - 200523509 (11) 於燃燒所需空氣之〗體積百分比及2 5體積百分比之間， 但最好將在該2體積百分比至1 5體積百分比之範圍中。 如在此所使用者，當用於一含氧氣流及可與該氣流中 之氧氣燃燒之材料餵入氣流之情況時，“化學計量比”一 詞意指該含氧氣流中之氧氣對總氧量之比率，而將爲充分 把存在於包含該餵入氣流之物質中之所有碳、硫及氫轉換 成二氧化碳、二氧化硫及水所需者。 如在此所使用者，“富含燃料’ ” 一詞意指具有少於 1 . 〇之化學計量比，且“燃料不足”一詞意指具有大於 1 . 〇之化學計量比。 如在此所使用者，“固氮”一詞意指存在於異於如氮 氣之分子中之氮。 如在此所使用者，“主要燃燒區”一詞意指在一燃燒 裝置內緊接該燃燒器出口之區域，且其多半由來自該燃燒 器或各種燃燒器之火燄或各種火焰所佔據。 如在此所使用者，“燒燼區”一詞意指在一燃燒裝置 內之區域，其在該主要燃燒區及該煙道之間，位於該火燄 或該主要燃燒區中之火焰外側，在此過度燃燒空氣係注入 ，且該殘留燃料及來自該主要燃燒區之可燃物係與過度燃 燒空氣一起燃燒。 如在此所使用者，當該燃料及此空氣係例如經過燃燒 器之孔口餵入一燃燒裝置時，“主要燃燒空氣”或“主要 空氣” 一詞意指業已與燃料混合之空氣。 如在此所使用者，“第二燃燒空氣”或“第二空氣” -15- 200523509 (12) 一詞意指經過燃燒器之一或更多孔口餵入一燃燒裝置之空 氣，但當此空氣係餵入該燃燒裝置時未與燃料混合。 一具有第二空氣用孔口之燃燒器可具有用於餵入空氣 之額外孔口，該額外之孔口係比用於該第二空氣之孔口進 一步遠離燃料經過該燃燒器之入口點。如在此所使用者， “第三燃燒空氣”或“第三空氣”一詞意指經過此額外之 孔口餵入一燃燒裝置之空氣。假如一燃燒器亦具有比用於 該第三空氣之孔口甚至進一步定位遠離燃料入口點之孔口 ，則經過此另外孔口餵入之空氣在此係稱爲“第四燃燒空 氣”或“第四空氣”。 如在此所使用者，“過度燃燒空氣”（或“ OFA” ) 一詞意指於該燃燒裝置中由該燃燒器或各燃燒器分開地注 入一燃燒裝置之空氣，以提供一大富含燃料之主要燃燒區 及一燒燼區，在此藉著混合 OFA與來自該主要燃燒區之 未燃燒燃料及局部燃燒產物完成燃燒。 在此餵入“氧氣”、所餵入之“氧氣”之參考資料、 及在此於類似情況中利用“氧氣”之其他參考資料意指包 含氧氣之氣流。最好，氧氣係當作一包含至少5 0體積百 分比氧氣、較好包含至少8 0體積百分比氧氣、且甚至更 好包含至少9 0體積百分比氧氣之氣流餵入。 如在此所使用者，“空氣分離單元”意指一種由包含 氧氣及氮氣、諸如空氣之氣體混合物之餵入氣流，產生富 含氧氣及耗竭氮氣之產物流與富含氮氣及耗竭氧氣之產物 流的裝置或系統。“富含”意指在該產物流中比較於該餵 -16 - 200523509 (13) 入氣流存在有較 物流中比較於該 分離單元之例子 分離系統、壓力 〇 如在此所使 體至第二流體之 混雜。諸如經過 由第一流體直接 至一中間物體或 然後由該中間物 【實施方式】 本發明將參 欲限制本發明所 圖1顯示燃 置之內部2中進 氣之爐腫及鍋爐 該燃燒裝置中之 部離開該燃燒裝 於燃燒裝置 自其在該燃燒裝 燃燒裝置1之內 燃料油，且亦包 商之體積百分比，及“耗竭”意指在該產 聽入氣流存在有較低之體積百分比。空氣 包含採用蒸餾法及/或精餾法之低溫空氣 方疋轉吸附系統、及真空壓力旋轉吸附系統 用者，“間接熱交換，’意指促成由第一流 熱傳，而沒有任何物理接觸或流體之彼此 一分開這些流體之隔板，熱傳可藉著通道 至該第二流體，或藉著由該第一流體熱傳 材料、諸如一同流換熱器或磚造建築，且 體或材料至該第二流體。 考各圖面敘述，雖然參考各圖面之敘述不 考慮之範圍。 燒裝置1，其可爲任何設備，其中在該裝 行燃燒。較佳之燃燒裝置包含用於產生蒸 ’以藉著未顯示之傳統機構產生電力。於 燃燒產生廢氣，該廢氣經由一煙囟在該頂 置° 】之一側壁或端壁中，每一燃燒器3將來 置1外側之來源的燃料、空氣及氧氣餵入 部2。合適之燃料包含碳化氫液體、諸如 含粉狀碳化氫固體，其一較佳例子是粉化 -17- 200523509 (14) 煤或石油焦炭。 如在圖1及更接近地於圖2中所視，燃燒器3最好包 含一些同心配置之通道，雖然能利用具相同效果之其他結 構。該燃料係經過同心地設置環繞著噴管5之環狀通道4 餵入燃燒裝置1，氧氣係如在此所述地經過該噴管5餵入 。最好，於諸如燃料油之液體案例中藉著合適之幫浦機構 、及於諸如粉化煤之碳化氫固體案例中藉著傳統設計之鼓 風機及推進器，該燃料係由一供給來源2 0運送至一或多 個燃燒器3及推進經過燃燒器3進入燃燒裝置1之內部2 ，該案例傳統上係以運送空氣（“主要空氣”）之輔助餵入 該燃燒裝置。液體之碳化氫燃料最好係經過一或多個傳統 設計之霧化噴嘴餵入，以將當作具霧化空氣之分離、散開 點滴之液體燃料餵入該燃燒室。典型大約1 . 5至2.0磅之 主要空氣之有效數量係用於運送1磅之煤，其對應於用以 完全燃燒生煤所需之大約百分之2 0的化學計量燃燒空氣 。對於重油之燃燒，大約〇 . 5至1 . 0磅之主要空氣係用於 霧化1磅之油。 由空氣分離單元3 0延伸二產物管線：管線3 2運送一 富含氧氣、耗竭氮氣之氣流至該燃燒器，及管線3 4運送 一富含氮氣、耗竭氧氣之氣流至過度燃燒空氣通口或通口 7。該富含氧氣之氣流的較佳成份係至少5 0體積百分比氧 、更好至少8 0體積百分比或甚至至少9 0體積百分比氧， 且少於5 0體積百分比氮及更好少於2 0體積百分比氮。富 含氮氣之氣流之較佳成份係至少8 5體積百分比氮、更好 -18- 200523509 (15) 至少9 Q體積百分比或甚至至少9 5體積百分比氮， 1 5體積百分比氧及更好少於1 0體積百分比氧。 其希望的是用於本發明之空氣分離製程將集中 高純度氧（大於9 0體積百分比），因其具有副產 出物之初次產物係富含氮氣之氣體。亦能利用一具 氧氣之附帶氣流的標準氮工廠，但由製程考量應不 想要者。 雖然各圖面說明該較佳具體實施例，其正將該 氣、耗竭氧氣之氣流餵入至該過度燃燒空氣通口， 饌入該第二或第三燃燒空氣處藉著餵入該氣流實現 點。 燃燒空氣22係藉著一 FD風扇供給至一或多 21，及餵入至一或多個燃燒器3之空氣通道。第二 氣1 5係經過燃燒器3餵入燃燒裝置1，其最好經 該環狀空間4之同心配置環狀通道]1，而該碳化 最好係經過該環狀空間餵入。第三燃燒空氣1 6最 過燃燒器3餵入燃燒裝置1，最好經過圍繞該第二 道之同心配置環狀通道1 2。燃燒空氣最好係亦餵 過度燃燒空氣通口 7 (圖1中所視）進入燃燒裝置 好，該氧氣係與第二及第三燃燒空氣分離地餵入該 部2。亦即，按照本發明餵入經過燃燒器3之氧氣 在與該燃料燃燒時完全耗盡，在此之前氧氣具有一 以在其餵入燃燒裝置1之前或緊接在之後變成與第 或第三燃燒空氣混合，特別是當未使用任何過度燃 且少於 在產生 物或流 有富含 會爲所 富含氮 亦可在 該等優 個風箱 燃燒空 過圍繞 氫燃料 好係經 空氣通 入經過 1。最 裝置內 最好係 機會， 二及/ 燒空氣 -19 - 200523509 (16) 時。 用於良好之空氣動力適應性，較佳之低氮氧化物燃燒 器具有主要（燃料餵入）、第二及第三空氣通道。然而， 能利用其他僅只使用主要及第二空氣餵入之低氮氧化物燃 燒器設計。一旦已決定設有該三通道之最佳設定，能設計 該第二空氣漩渦葉片及通道，以建立大約與具有三通道設 計相同之空氣動力混合特徵。另一選擇係，能利用設有額 外（第四）通道之燃燒器（諸如美國專利第5,9 6 0,724號 中所敘述之RSFCTM燃燒器）。 利用來自一空氣分離廠之富含氧氣之氣流，可藉著利 用來自相同空氣分離單元之富含氮氣之氣流進一步減少來 自燒煤鍋爐之氮氧化物散發，該氣流通常排放至大氣及未 有效使用的。 於該鍋爐爐膛之燒燼區（BOZ) 9中，在此來自該主 要燃燒區（P C Z ) 1 0之殘留可燃物係與過度燃燒空氣7混 合及燃燒，所謂之熱氮氧化物係形成，且一些來自該燃料 固氮而在該P CZ中形成之氮氧化物類屬係同樣轉換成氮 氧化物。如在該背景章節中所論及，該熱氮氧化物之形成 及該氮類屬於該 BOZ中之轉換成氮氧化物係依該區域溫 度而定。較低之區域溫度及較低之過量氧氣減少該 B OZ 中之氮氧化物形成。 藉著於該爐膛中限制該燃料不足燃燒區中之火燄溫度 及過量氧氣控制熱氮氧化物。該Β Ο Z中之廢氣循環專注 於該熱氮氧化物形成機制及該P CZ中所形成燃料氮類屬 -20- 200523509 (17) 之轉換速度兩者。其藉著稀釋該燃燒空氣（亦即減少該氧 氣濃度）及提供一額外體積之氣體而達成，以用作一冷源 及減少燃燒期間所產生之溫度。通常可利用廢氣再循環， 直至抵達一實際限制之程度。當利用增加之廢氣再循環比 率時，基於現在必須通過該鍋爐之熱氣體之較大體積，該 熱傳送轉移至該鍋爐之對流區段。此影響鍋爐蒸氣平衡之 熱傳效果係一項利用廢氣再循環之限制。當廢氣之體積係 隨著FGR增加時，另一限制係該鍋爐中所增加之壓降。 沒有該FGR方法之一些限制，來自一空氣分離工廠 之富含氮氣之氣流可有利地應用至稀釋過度燃燒空氣中之 氧氣濃度，及提供額外之氣體體積當作一冷源。根據在典 型鍋爐爐膛條件下之熱平衡計算，對於由純氧所取代之化 學計量空氣之每百分之一，該結果之富含氮氣之氣體能減 少爐膛氣體溫度達大約華氏1 1 . 7度。這意指假如百分之 1 〇之化學計量空氣係以純氧所取代，該爐膛氣體溫度可 藉著利用可用來自該空氣分離工廠之富含氮氣之氣流下降 達大約華氏]1 7度。 雖然注入該鍋爐之富含氮之較大數量氣體將進一步冷 卻該氣體溫度及減少氮氧化物散發，額外氮之成本及由該 輻射區段至該對流區段之熱傳轉移限制能注入之最大量。 典型僅只於業已利用氧氣供氮氧化物控制之鍋爐中，使用 富含氮氣之氣體將係經濟的。可用之富含氮氣之氣體體積 係直接有關由該空氣所移去以供給該富含氧氣之氣流之氮 氣體積。富含氮氣之氣流注入鍋爐Β Ο Z之一較佳數量， -21 - 200523509 (18) 係由用於產生該富含氧氣之氣流的空氣分離廠所產生之富 含氮氣之氣流的百分之1 〇至1 〇 〇。富含氮氣之氣流注入 鍋爐 BOZ之一更佳數量，係由用於產生該富含氧氣之氣 流的空氣分離廠所產生富含氮氣之氣流的百分之5 0至 100。 假如來自一空氣分離廠之所有富含氧氣之氣流及富含 氮氣之氣流係注入一鍋爐，對該鍋爐之淨效果係以來自該 空氣分離廠之等量周遭溫度“空氣”取代一些預熱燃燒空 氣（典型華氏600度）。既然一些空氣預熱能量係喪失， 在此條件下將有強加至該鍋爐之一輕微效率代價。然而， 此給與之效果係期待爲小的，而於該製程中將以富含氧氣 之氣流取代僅只高達百分之2 5之燃燒空氣。 可藉著預熱富含氮氣之氣體與廢氣熱交換消除此微小 之效率代價。假如該鍋爐之現存空氣加熱器係一同流換熱 型，其可能修改該同流換熱器，以於同一同流換熱器之二 不同區段中預熱該燃燒空氣及該富含氮氣之氣流兩者。 另一選擇係，能藉著限制富含氮氣之氣體注入該鍋爐 之數量消除該微小之效率代價，以致注入該鍋爐之富含氧 氣之氣流及富含氮氣之氣流之混合物之平均氧濃度係大約 百分之23.5。 餵入富含氮氣之氣流的位置之選擇能提供不同之成本 及操作上之優點。 · 比方，所有或部份該富含氮氣之氣流可用管子輸入在 該風箱之前之預熱空氣燃燒管道，該風箱典型供給該第二 -22- 200523509 (19) 空氣、該第三空氣、及該過度燃燒空氣。於此案例中，所 有該預_燃燒氣流將以該富含氮氣之氣流等量地稀釋。雖 然該安裝成本係相當低，以下之另一選擇方法可提供更好 之氮氧化物減少。 另一選擇係，所有或部份該富含氮氣之氣流可分開地 用管子輸入每一燃燒器之第二空氣通道、第三空氣通道、 或該第二及第三空氣通道兩者。該管道成本將高於先前之 方法，但可（對於每一燃燒器分開地）調整餵入至每一燃 燒器之富含氮氣之氣流量，以最佳化該氮氧化物之減少。 當作另一選擇，所有或部份該富含氮氣之氣流能經過 該燃燒器自身之通道餵入，以致其由該燃燒器顯現，即在 該燃料由該燃燒器顯現及在第二與第三空氣由該燃燒器顯 現處。該富含氮氣之氣流速度最好等於或低於該主要燃料 氣流及該第二空氣氣流之速度。另一選擇係，這延遲第二 及第三空氣與該燃料之混合，且藉此擴大該富含燃料區， 並將有助於氮氧化物散發之減少。當作又另一選擇，所有 或部份該富含氮氣之氣流能餵入該燃燒裝置之內部2，進 入該主要燃燒區外面（下游）及該燒燼區上游之一區域。 於此配置中，該富含氮氣之氣流與來自該PCZ之可燃物 混合，且減少該BOZ中之氣體溫度及減少氮氧化物散發 。當作又另一選擇，所有或部份該富含氮氣之氣流能在或 接近該OFA通口餵入。於此配置中，該富含氮氣之氣流 局部與該OFA氣流混合，且減少該BOZ中之氣體溫度及 減少氮氧化物散發。 -23- 200523509 (20) 當該鍋爐對通過一較大數量之廢氣未具有壓力或熱傳 限制時，其可能於前面方法之任何方法中組合再循環廢氣 之注入及富含氮之氣體之注入，用以進一步減少氮氧化物 〇 當作另一選擇，或當作對再循環廢氣之注入及富含氮 氣之注入之一補充，吾人能注入一陣液態水。利用傳統霧 化噴嘴，藉著所謂壓力霧化（其中藉著在一霧化噴嘴之上 游加壓至進來液流而沒有霧化氣體地達成霧化，而該液流 強迫通過該霧化噴嘴）或藉著氣體霧化之任一種可形成該 水霧，該氣體霧化需要施加壓縮氣體、最好壓縮空氣或壓 縮富含氮氣之氣體之一附帶氣流。包含該水霧進入該燃燒 室之水霧注入之較佳方法大體上係類似於上文已敘述用於 該富含氮氣之氣流注入方法。 根據在典型之鍋爐爐膛條件下之一熱平衡計算，藉著 認知每磅煤之點火速率需要大約〇 . 1 7磅之水霧或0.6 1磅 之氮氣，以在該燒燼區中減少該廢氣溫度達華氏]〇〇度， 有助於噴入該燃燒室之水量之決定。由於用於水之蒸發之 潛熱，水所需之特定注入質量流速係僅只氮流速之大約百 分之 2 8。於設計水霧注入中，其重要的是確保該水滴在 該B OZ內蒸發。於大部份應用中，水滴之最大尺寸係較 好少於5 0 0微米、更好少於1 5 0微米。 其亦可能結合水霧之注入與再循環廢氣之注入及/或 富含氮之氣體之注入。所有這些流體具有冷卻劑之作用， 且其效果係附加的。 - 24 - 200523509 (21) 在或接近過度燃燒空氣（OFA )通口注入富含氮氣之 氣流之另一優點係改善之混合。0 F A典型係藉著採取離開 該現存風箱之燃燒空氣之一側面氣流所供給，如此，0FA 氣流之最大速度係藉者該風箱中可用之燃燒空氣之壓力所 限制。因爲該鍋爐之大尺寸及OF A之有限數量及壓力， 與來自該P CZ之爐膛氣體之混合係一長期性之問題。此 不良之混合能導致局C0散發物，及於該灰燼中之高度未 燃燒碳。假如調整該鍋爐之整個化學計量，以補償該高 c 0，則氮氧化物散發可昇高，而與首先安裝該〇 F A之理 由相反。一富含氮氣之氣流在高速（諸如每秒至少1 〇 〇呎 且最好每秒超過2 0 0听）經過或連該〇 f a通口之注入 ’於此狀態中可爲有益的，因爲其能在一較高壓力下造成 可用的。較高之壓力允許一較大注入速度進入該爐膛，這 將增強該0FA及來自該PCZ之爐膛氣體間之混合，而同 時稀釋該廢氣以吸熱及減少該氧氣濃度以避免高火燄溫度 。較高之壓力亦允許使用較小之管道，這比較大通風管能 更輕易地對現存鍋爐作修整。淸潔之氣體亦有助於更輕易 地作氣體監視及控制，以始終確保該系統如所設計地運轉 。該富含氮氣之氣流能經過所有該0 F A通口注入，以便 增強該OF A及該爐膛氣體之混合，或由一或多個〇F A通 D分開地注入，而其他OFA通口係僅只用於空氣注入。 於選擇性非催化反應（“SNCR”）系統係於適當位置 以減少氮氧化物散發之案例中，一富含氮氣之氣流之注入 該B 0 Z係特別有利的。此方法減少來自鍋爐及爐膛之氮 -25^ 200523509 (22) 氧化物散發，並將諸如阿摩尼亞 '尿素、氰尿酸 之還原試劑注入該燃燒室，然後該試劑在高溫 (-NH2 )及在該燃燒室中與存在於該高溫燃燒氣 氧化氮起反應，以形成氮氣。此方法係已熟知及 藝之極多論點中已敘述。在SNCR製程之中廣爲 那些由里昂於美國專利第3,9 0 0,5 5 4號及Aran d 國專利第4 5 2 0 8，3 8 6及4 5 3 2 5，9 2 4號所敘述者， 該 SNCR製程中之改良包含那些在美國專利第 號及美國專利申請案公告第US 2002/0025285 A 敘述者。這五項之揭示內容係以引用的方式倂入 阿摩尼亞及尿素係較佳之試劑。爲氮氧化物之有 該試劑必須在該空間及可用於每一燃燒製程之停 與包含氮氧化物之燃燒氣體均勻地混合。均勻之 難以實際運用之問題，因對於包含百萬分之1 〇〇 氮氧化物之廢氣，該試劑對廢氣之莫耳比係大約 1 0,000 〇 該文獻中之資料建議由典型之鍋爐條件降低 至該最佳溫度能顯著地改善該氮氧化物減少反應 利用相同之試劑 '或具更少試劑消耗量之相同氮 度下產生更少之氮氧化物。 大部份鍋爐係於母日之低電力需求期間（由 1 1點至大約早上5點）關機。當一鍋爐係關機 點火速率時，鍋爐之運轉條件顯著地改變。大部 器令人滿意地減緩運轉至該滿載點火速率之大； 或碳酸鞍 形成胺基 體中之一 在先前技 所知者係 等人於美 且近來於 65030,204 k 1號中所 本文中。 效減少， 留時間內 混合係一 至 1000 1，0 00 至 氣體溫度 ，藉此在 氧化物程 大約晚上 及減少該 份煤燃燒 約百分之 -26- 200523509 (23) 7 〇，雖然該減少之氣體速度能改變火燄之空氣動力特性， 導致較高之氮氧化物散發或不佳之火燄穩定性。大部份磨 煤機需要一最小量之空氣流速，用於適當之粉化作用及煤 運送。如此，當輸入該硏磨機之煤減少時，該運送空氣對 煤之比率係增加，造成該第一階段燃燒化學計量比更不足 ，除非該第二及第三氣流比率係減少。該點火速率中之進 一步減少典型需要關掉一或多台磨煤機，及採取對應之消 火燃燒器。較低高度中之燃燒器典型係關掉，以便維持該 蒸氣溫度。鍋爐熱輸入之一較大部分係在低負載下於該輻 射區段中傳送，且降低該爐膛氣體離開溫度（FEGT )， 這減少該對流工作面中之熱傳。其在低負載下通常變得難 以維持該蒸氣過熱溫度。爲了增加 FEGT，更多該點火速 率係轉向該上方之燃燒器，且亦增加過量之空氣，以便轉 移更多熱量至該對流工作面。然而，消火之燃燒器必須藉 著流動某一數量之燃燒空氣而冷卻，這提供額外之燃燒空 氣至該上層燃燒器。其增加該主要燃燒區之化學計量比， 且傾向於增加特定之氮氧化物散發（每MMBtu 1磅之氮 氧化物）。這些變化典型導致非最佳之點火條件、降低鍋 爐效率及增加特定之鍋爐散發物。鍋爐操作員具有有限之 選擇，以處理這些問題，且通常於這些每日關機時期允許 該鍋爐在非最佳之條件下運轉。 將富含氮氣之氣體加至餵入該磨煤機之主要燃燒空氣 、或加至餵入該燃燒器（亦即至該風箱）之第二及第三燃 燒空氣，在此點，於其操作中，能藉著減少該燃燒空氣之 -27- 200523509 (24) 氧氣含量而有所幫助，這將減少該鍋爐中之氧氣程度及減 少所產生之氮氧化物。該富含氮氣之氣體之額外熱負載將 亦需要一稍微較高之點火速率，以加熱該額外之氣體，且 一較大體積之熱氣將可用於該對流區段，以產生更多之過 熱蒸氣。在此低點火條件下，所增加之質量生產率有助於 該鍋爐運轉較接近其設計點，且該較低之氧濃度有助於控 制氮氧化物散發。以過量空氣點火能產生相同之熱傳效果 ，但由於與該鍋爐中之高氧程度有關之氮氧化物問題，其 代價爲高散發物。假如安裝一系統，FGR能產生類似之結 果，然而當該返回之廢氣將包含一些殘留氧氣時，亦能挑 戰過量氧程度之控制，而將必須對該製程之控制作補償。 雖然火燄穩定性在低點火速率係大致上更重要，且該 燃燒空氣之減少氧含量將進一步減少該火燄穩定性，富含 氧氣之氣流之直接注入該煤流將提供良好之火燄穩定性， 及同時允許燃燒空氣之稀釋。 當該鍋爐關機時，該空氣分離廠供給該富含氧氣之氣 流之運轉能變化。因爲關機時期於長度中通常係少於八小 時，該氧氣工廠可留在全容量，而產生比可能注入該鍋爐 所需者更多之氧氣。此過量之氧氣可排出或送至一液化器 供回復。 由該工廠可用之富含氮氣之氣體體積將高於該燃燒空 氣原始可用之體積，且因此能於該鍋爐中獲得氮程度中之 淨値增加。因爲該無效率之鍋爐運轉條件，假如氮係注入 該燃燒器區域中，該氮在鍋爐運轉上將具有一更顯著之積 -28- 200523509 (25) 極效用。這取代過量空氣中所包含之氧，及能維持流經以 別的方式關機之燃燒器之體積流量。圖4描述此用於低負 載運轉之另一具體實施例。 基於該製程所需之氧量及所產生之最終富含氮氣之氣 體，其希望比所可用者能利用更多富含氮氣之氣體。假如 經濟條件允許使用更多氮，則可利用一額外之氮源。用於 複數鍋爐裝置之另一方式將係產生足夠用於二或更多鍋爐 之氧氣，且然後將氮分佈至比該總數較少之鍋爐，以致更 多之富含氮氣之氣體係可用於這些利用該氣體之鍋爐。當 一鍋爐關機、而另一鍋爐持續在滿載時，此架構係特別有 用。更多富含氮氣之氣體將可用於該已關機之鍋爐，藉此 最大化利用氮之利益，儘管於該關機狀態期間所導致之較 低氧需求。假如該氧氣工廠係未將鍋爐關機，則當過量氧 氣將排出或捕捉供用於其他地方、且該氮產生將不會減少 時，這不會變成一問題。 於關機期間使用燃燒器消火（Β Ο Ο S )技術之鍋爐中 ，其可能於接近該暫時關閉燃燒器之風箱中優先注入該氮 ，用富含氮氣之氣體而非燃燒空氣以冷卻該消火燃燒器。 這將於該鍋爐之熱火燄區域中進一步限制過量之氧程度。 另一將模倣該OFA架構之可能架構係暫時關閉該最上方 之燃燒器，以致該冷卻之燃燒空氣具有OFA之作用，及 將氮注入用於下方燃燒器之風箱，以嘗試及防止由於在這 些條件下加入過量空氣使該主要區化學計量比增加。 如上面所指示，本發明之一較佳具體實施例係於一燒 -29- 200523509 (26) 煤燃燒裝置（電站鍋爐）之改進中，以致其產生較少之氮 氧化物。燃燒係於該碳化氫燃料及該燃燒空氣中之氧氣之 間進行’導致一火燄6之形成。最接近燃燒器3端點之火 織區域8、亦即該碳化氫燃料由該燃燒器顯現處係該火燄 之富含燃料區。環繞該火燄6外圍之區域係相當缺乏易燃 性的’因第一及第三燃燒空氣未與燃料充分反應。當至燃 燒器3之燃燒空氣數量2 2係減少，且一充分之空氣量係 由用於總體燃燒階變之過度燃燒空氣通口 7餵入，該爐腊 之整個下方區域、或在過度燃燒空氣通口 7下方之主要燃 燒區（P C Z ) 1 0變得富含燃料，除了靠近燃燒器3之區域 以外’在此空氣係注入及尙未充分與燃料反應。 然後，於本發明具體實施例之執行過程中，加入用於 導入額外氧氣之噴管5。替代地，能夠以其他方式提供該 額外之氧氣，諸如將其加入該主要空氣。另一選擇係，一 餵入燃料及燃燒空氣之燃燒器係以一如各圖面所示施行之 燃燒器取代。 空氣最好係亦經過過度燃燒空氣通孔開口 7餵入燃燒 裝置I之內部’以，以造成該主要燃燒區1 〇較少燃料不 足或更富含燃料’且提供額外之氧氣，而有助於達成該燒 燼區9中燃料之完全燃燒。假如使用，與在開口 7餵入之 空氣中所包含氧氣結合，該燃燒空氣中餵入經過燃燒器3 之氧氣係充分的’以便能夠使該燃料完全燃燒，且典型包 含超過該燃料完全燃燒所需之〗0至2 5體積百分比過量之 氧氣。 -30- 200523509 (27) 該第二及第三燃燒空氣最好係在該燃燒器3餵入，以 便繞著一縱向軸镟流，藉此建立靠近每一燃燒器之循環區 ，並改善空氣及燃料之混合。漩流能藉著習知技術達成， 諸如於該燃燒器之第二及第三氣流用之環狀通道中提供導 流片1 3及1 4，該導流片將該氣流引導於想要之漩流方向 中。其較佳的是提供一高度漩流，最好0.6至2.0之漩流 數目，如 1 983 年之 J.M.Beer 及 N.A.Chigier，Robert E· Krieger出版股份有限公司於“燃燒空氣動力學”中所界 定。 於以過度燃燒空氣施行本發明中，其較佳的是餵入經 過燃燒器3之總空氣量、亦即主要、第二及第三空氣之總 和係於完全燃燒所需化學計量空氣之百分之6 0及9 9之間 。最好餵入經過燃燒器3之總空氣量係完全燃燒所需化學 計量空氣之百分之70至85。 在該空氣顯現之噴嘴出口，主要、第二及第三燃燒空 氣之每一氣流之速度最好係每秒5 0至]5 0呎。在該氧氣 顯現之噴嘴出口，注入經過噴管5之氧氣速度較好係在該 主要空氣速度之百分之】〇至百分之900、更好在百分之 25至百分之400內。 各種測試已建議一較佳方式係將至少一些燃料微粒或 點滴暴露至高濃度氧氣，而與均勻地添加更多該整體燃燒 空氣相反。將氧氣注入一低氮氧化物燃燒器之風箱2 1之 簡單方式，使得包含該重要之主要階段空氣之富含空氣係 餵入至該整個燃燒器並不視爲有效率的。 -31 - 200523509 (28) 當氧係使用百分之20化學計量空氣預先混合或迅速 地混合進入該煤運送氣流（主要氣流），且全部燃燒化學 曰十里比係1 . 1 5時，計算該運送空氣氣流及該全部燃燒空 氣中之氧氣之以下平均濃度假設該空氣係乾燥的及包含 2 1 . 〇體積百分比之氧氣。 以氧氣取代之 化學計量空氣 的百分比（*) 運送空氣中之氧 氣濃度 (體積百分比） 總燃燒空氣中之平均氧 氣濃度 (體積百分比） 0 21.0 2 1.0 5 24.9 2 1.7 10 28.5 22.5 15 31.7 23.4 20 3 4.7 24.3 25 37.4 25.4 例如以1 .95cf之純氧取代5cf空氣，以給與相同數量 之氧氣） 於lit例子中’由於所便用之小量氧氣，當均勻地混合 曰寸’甚至當氧氣僅只與該違送空氣混合時，僅只達成空氣 之氧濃度中之適度增加。〜較佳方法係在該噴管之噴嘴尖 辆將氧注入該煤/空氣運送氣流。於此案例中，一些該煤 微k係與氧氣射流混合及局部地建立煤/高氧氣混合物之 區域。如和氧氣係與該運送氣流預先混合之案例作比較， -32- 200523509 (29) 此條件可提供快速點火源之區域，及有助於較早點火及液 化。 另一較佳方法係由毗連該煤流之內部或外部環狀空間 注入氧氣。於此案例中’在該煤及氧氣流之邊界提供該有 利之富含氧氣之燃燒條件。 當氧氣係平行於該燃料氣流在高速分開地注A時，$口 用於F a r m a y a η等人之案例，該氧氣射流能以圍繞之氣體 迅速地稀釋，且其有效性可減緩。如此，必須小心地設言十 氧氣注入之方法。 本發明藉著將氧氣餵入該進入之碳化氫燃料流改#、 亦即減少該燃燒裝置中之氮氧化物之形成，如在此所敘述 者。更特別及最好，該氧氣係當作一濃縮之氧氣氣流鎮Λ ，其較好包含至少80體積百分比之氧氣，最好至少9〇體 積百分比之氧氣，且當其由該燃燒器顯現及進入該燃燒裝 置1之內部2時，直接餵入該碳化氫燃料。如此，於包含 高濃度氧氣之氣體環境中，至少一些固體燃料微粒、或液 體燃料之點滴視情況進入該燃燒裝置及火燄6之富含燃料 部份。 當過度燃燒空氣係用於總體燃燒階變時，最好設有配 備三或四個分開之空氣通道的空氣燃燒器，氧氣可與該主 要或第二空氣或兩者預先混合，並在燃燒器3中之氣體通 道內使用合適之噴霧器。 該氧氣最好係饌入經過一噴管5或類似餵入管線，該 管線可在末端打開而通入燃燒裝置1，或在該端點關上及 -33- 200523509 (30) 於其鄰接該關上端點之外圍中具有極多開□，使得該氧氣 經過那些開口流出直接進入該碳化氫燃料，並由該燃燒器 進入該燃燒裝置。 圖3 a至3 d顯示能採用之各種噴管架構。能使用其他 噴管架構。於圖3 a中，噴管5以單一孔口 3 1爲端點，該 孔口最好係沿著該噴管之軸心定位。 於圖3 b中，噴管5之端點係封閉，且靠近噴管之熱 端點沿著該噴管之周邊提供二或更多、較好二至十六、更 好四至八個噴嘴，用於徑向之氧氣注入。一至四或更多噴 嘴亦可提供於此噴管之端點中。 於圖3 c中，靠近該噴管5之封閉下游端點徑向地提 供二或更多及較好二至十六、更好四至八個噴嘴32，且 提供二或更多、較好二至十六、更好四至八個噴嘴33, 每一噴嘴相對氧氣流入該噴管5之方向之軸心形成一大於 〇度及小於9 0度之角度。 於圖3 d中，靠近該噴管5之熱端點沿著該噴管5之 周邊提供二或更多及最好二至八個噴嘴3 4，每一噴嘴相 對氧氣流入該噴管5之相反方向形成3 0至6 G度之一角度 〇 於這些及其他噴管具體實施例中，經過該噴管側邊之 噴嘴可排列在一或超過一個之圓周上。 當氧氣係如在此所敘述注入燃燒裝置1時’餵入經過 燃燒器3之燃燒空氣之流速係同時減少，以維持或減少該 主要燃燒區之化學計量比。當使用過度燃燒空氣時’具有 -34 - 200523509 (31) 氧氣注入之主要燃燒區化學計量比較好係用於完全燃燒所 需化學計量空氣之百分之6 0及9 9之間、更好大約百分之 7 0至8 5。以此方式餵入之氧氣量應係足以於火燄6之富 含燃料區8中建立一化學計量比，該化學計量比大約0.8 5 少，及最好係遠少於〇 . 8 5，例如0.6 5或更少。經過管線 5餵入之氧氣量應少於燃料完全燃燒所需化學計量之百分 之 2 5。更好，該數量對應於少於燃料完全燃燒所需化學 計量之百分之1 5。甚至更好，該數量對應於少於燃料完 全燃燒所需化學計量之百分之8。 氮氧化物散發強烈地依該局部之化學計量條件而定。 當氧氣之注入造成該局部之化學計量條件更不足時，吾人 必須在該氧氣注入之後考慮該局部化學計量條件中之變化 。譬如，氧氣、等同於百分之1 〇化學計量空氣之注入一 在0.4化學計量比（SR = 0.4 )之局部富含燃料區，而未改 變所餵入燃燒空氣之流速，將變更該局部之化學計量條件 至 SR=0.5，且將期待實質地減少氮氧化物散發。然而對 於最佳之氮氧化物減少，這是因爲 SR = 0.4係太富含燃料 。此一效果係遠大於來自“以氧氣取代百分之]〇空氣” 者，而將該局部之化學計量條件常數保持在 SR = 0.4。假 如相同之氧氣量係注入該富含燃料區，而未改變該燃燒空 氣之流速，在此該局部之化學計量條件係SR = 0.95，當該 局部之化學計量條件係增加至S R= 1 . 0 5時，氮氧化物散發 係預期急劇地增加。 如此，其大致上較佳的是將氧氣注入該火燄之最富含 -35- 200523509 (32) 燃料區域。 假如使用，氧氣之注入或混合進入該第三及第四空氣 應在沒有OFA之一空氣動力階段式燃燒器中避免。這是 因爲任何第三空氣、及任何第四空氣係混合一火燄之相當 地缺乏易燃性區域。理論上，能以包含空氣之任何氧化劑 作成局部化學計量條件之最佳化。然而，氧氣係更有效的 ，因爲僅只需要一小容積，並可改變局部之化學計量條件 ，而不會對該火燄之整體空氣動力混合條件有一大衝擊。 另一重要需求係使該氧氣富足必須以某一方式作成， 以便保有或提高一空氣動力階段式火燄之富含燃料區（“ 氮氣形成區”）之物理尺寸。氧氣注入及導致一燃燒器之 某些空氣通道中之氣流減少之方法將影響該燃燒器之空氣 動力階變條件，且因此影響該物理尺寸及該局部之化學計 量條件。假如富含燃料區之尺寸係減少，且該富含燃料區 中之平均氣體停留時間係由於氧氣注入而減少，此一變化 能造成氮氧化物增加。譬如，諸如圖3 a所顯示者，氧氣 之高速注入經過一軸向噴管將有效地增加該圍繞煤/空氣 氣流之軸向衝力，並依序可增進與第二及第三空氣之混合 。其結果是可減少該火燄之富含燃料氮氧化物減少區之尺 寸，及可增加氮氧化物。在另一方面，當該氧氣流動係由 一軸向定位氧氣噴管、諸如圖3 b中所示靠近該燃燒器頂 部之噴管徑向地注入時，其可有效地增加靠近該燃燒器之 循環區，且因此增加該富含燃料區之尺寸，及進一步藉著 氧氣之濃縮增進氮氧化物減少。必須小心地評估用於一特 -36- 200523509 (33) 定燃燒器之氧氣注入在該燃燒 擊，以達成氮氧化物之減少。 不欲由本發明之沒想到性 按照本發明所運轉之燃燒裝置 中該注入氧氣造成最接近該燃 ’及依次造成存於該碳化氫燃 料進入該氣相，並與周圍之氧氣 一相對減少之大氣環境，且能夠 釋放至轉換成分子氮，亦即N2 其他含氮之化合物，諸如HCN万 該燃料及該氧氣所進入之富 約華氏2 5 0 0度或更高。以此方 6之底部拉得更靠近燃燒器3之 燃燒器3。然而，當該氧氣由該 敘述之方式將該氧氣餵入該碳化 始，縱使該火燄變得附接至該燃 方燃燒裝置已按照在此之教導f| 2 5、較好少於百分之1 5、更好士 燃燒所需化學計量氧氣係餵入該 裝置之運轉，而燃燒空氣係以少 之數量餵入經過該燃燒器，以致 少該燃料完全燃燒所需之化學計 利用一副產物，因爲富含氮 變之成份，來自實地氧氣工廠之 F空采/動力條件上之複雜衝 ;之任何特別說明所限制， .性能係與一機制一致，其 i器之火談部份之溫度增加 中之相對揮發成份由該燃 遭受局部反應，藉此建立 使含氮類屬由該燃燒燃料 ，而非轉換成氮氧化物及 I NH3。 含燃料區之溫度典型係大 式餵入該氧氣能造成火燄 開口，或甚至變得附接至 燃燒器顯現時，以在此所 氫燃料係以相同之方式開 燒器。於穩態運轉中，比 爹整之後，以少於百分之 I'於百分之8之燃料完全 燃料爲基礎，繼續該燃燒 於在其他方面可能有情況 餵入該裝置之總氧量係至 量。 之氣流之淸潔性及相對不 富含氮氣之氣流能簡化惰 -37 - 200523509 (34) 性氣體至該鍋爐之供給。結合較高可用之壓力，這能很輕 易地造成一富含氮氣之氣流，以控制及測量，且能比再循 環廢氣利用較小之管道及注入系統，而將降低一系統之資 金成本。所有這些合倂在一起之因素將造成一富含氮氣之 注入系統當其需要時具很低之維護需求及相當易於修理， 藉此對該鍋爐運轉提供增加之有效性。 當比較富含氮氣之氣體注入與廢氣循環時，有需要了 解之重要差異。一差異係該富含氮氣之氣體注入係正接受 將以任何方法輸入至該製程之空氣，及以二不同方式將其 注入，以產生一有益之製程變化。由一整體空氣動力觀點 ，於一良好混合之燃燒室中，不論該空氣是否直接餵入該 燃燒室或在分離成一富含氧氣之氣流及一富含氮氣之氣流 之後，該最後之氣體溫度應是相同的。當應用此製程至一 鍋爐時，藉著本發明有二因素造成一較冷之第二階段溫度 。於該富含燃料之燃燒階段中，以該富含氧氣之燃燒所產 生之一較高火燄溫度及一較長氣體停留時間增加對該爐膛 壁面之熱傳，及冷卻該燃燒產物，並藉著該氮之加入進一 步冷卻。（假如在全部熱傳中未發生任何變化，該富含氧 氣之燃燒氣體將比同等之空氣案例更熱，及加回該氮將使 它們冷卻回至與它們在使用空氣供燃燒時所曾有溫度之相 同溫度。） 另一差異係用於燒煤鍋爐之燃燒空氣典型係預熱至大 約華氏500至600度，且該富含氧氣及富含氮氣之氣流典 型係在環境溫度，如此減少輸入至該鍋爐之總熱量，並降 -38- 200523509 (35) 低該燃燒產物之溫度。 雖然本發明已主要參考壁面燃燒式鍋爐、諸如圖]及 2所說明之型式作敘述，此敘述不欲建議本發明係在適用 性上受限於該燃燒系統型式。本發明係適用於其他系統， 在其中燃燒燃料及空氣，並無限制地包含關於圖 4A-4 C 所敘述之切線燃燒系統型式，及該技藝中習知之燃燒系統 ，如“氣游”爐，其中該爐膛之主要燃燒區包含一或多個 附件，每一附件具有一圓柱形壁面、一封閉端壁、及一經 過該爐膛之壁面通入該爐膛之主要爐室之開放端點，其中 燃料、燃燒空氣及氧化劑（以在此所教導之數量餵入該燃 料）係在一方向中饌入經過該圓柱形壁面及該端壁進入該 附件，使得它們繞著該附件之旋轉中心軸轉動及燃燒，以 形成一火燄及燃燒熱量，該燃燒熱量係經過該開放端點放 射進入該爐膛之主要爐室。 除了那些在此所示範者，能採用其他燃燒器型式、諸 如所謂分流式燃燒器，其中當該燃料進入該燃燒室時，燃 料流係分成複數彼此分開之氣流，且甚至彼此發散。以此 種燃燒器，該氧氣係由一對應複數噴管餵入每一燃料流， 或由一設有導向每一燃料流之複數噴嘴之噴管餵入，且氧 氣之化學計量需求係基於所餵入燃料及氧氣之總量。 [圖式簡單說明】 圖I係用於執行本發明之一設備具體實施例之橫截面 圖示。 - 39- 200523509 (36) 圖2係用於執行本發明之一燃燒器之橫截面圖示。

圖 J 3· - J d 4/f-T 饰ί女照本發明用於將氧氣餵入燃燒器之噴管 的橫截面圖示。 〇 Λ 型式之鍋爐爐膛之剖面視圖，本發明能 利用之其中燃料及氧化劑係由分開之通口切線地餵入該 爐膛。 圖4Β係圖4α中所描述爐膛之一上視圖，其顯示燃 料及氧化劑進入該爐膛之切線流動。 圖4C係一在該通口之前面由該爐膛內側所視之正面 圖 。 【主要元件符號說明】 1 燃燒裝置 2 內部 3 燃燒器 4 通道 5 噴管 6 火燄 7 通口 8 區域 9 燒燼區 10 燃燒區 1 1 通道 ]2 通道 -40- 200523509

(37) 1 3 導流片 14 導流片 15 燃燒空氣 1 6 燃燒空氣 2 0 供給來源 2 1 風箱 22 燃燒空氣 3 0 空氣分離單元 3 1 孔口 3 2 管線 η ο J J 噴嘴 3 4 管線

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Claims (1)

1. 200523509 (1) 十、申請專利範圍 1. 一種減少氮氧化物散發量之燃燒方法，其包含： (A )提供一燃燒裝置； (B )將主要空氣及燃料經過一燃燒器餵入該裝置， 該燃燒器包含用於將第二空氣餵入該燃燒裝置之機構，及 選擇性地包含用於將第三空氣饌入該燃燒裝置之機構； (C )將該燃燒裝置外側之空氣分開成一富含氧氣之 氣流及一富含氮氣之氣流； (D )燃燒一火燄中之燃料，而將該富含氧氣之氣流 的至少一部份饌入該火燄，及； (E )將該富含氮氣之氣流的至少一部份餵入該燃燒 裝置。 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該富含氮氣之 氣流係在其餵入經過該燃燒器之前藉著與廢氣之間接熱交 換加熱，該廢氣係藉著該燃燒於該燃燒裝置中產生。 3 .如申請專利範圍第1項之方法，其中藉著該燃燒於 該燃燒裝置中產生之一部份廢氣，係於步驟（E )中隨著 該富含氮氣之氣流餵入。 4.一種減少氮氧化物散發量之燃燒方法，其包含： (A )提供一燃燒裝置，其具有一主要燃燒區及一燒 儘區 ； (B )將空氣及燃料經過一燃燒器餵入該主要燃燒區 (C )將該燃燒裝置外側之空氣分開成一富含氧氣之 -42 - 200523509 (2) 氣流及一富含氮氣之氣流； (D )於該主要燃燒區中燃燒一火燄中之燃料，而將 該富含氧氣之氣流的至少一部份餵入該主要燃燒區； (E )以包含充分之氧氣量將來自異於該燃燒器之來 源的空氣加入該燒燼區，餵入該裝置之總氧量係至少完全 燃燒該燃料所需之化學計量，並於該燒燼區中燃燒來自該 主要燃燒區之殘留可燃物；及 (F )將該富含氮氣之氣流的至少一部份餵入該燃燒 裝置。 5 .如申請專利範圍第4項之方法，其中該富含氮氣之 氣流係在其饌入至該燒燼區之前藉著與廢氣之間接熱交換 加熱，該廢氣係藉著該燃燒於該燃燒裝置中產生。 6 .如申請專利範圍第4項之方法，其中藉著該燃燒於 該燃燒裝置中產生之一部份廢氣，係於步驟（E )中隨著 該富含氮氣之氣流鶴入。 7 .如申請專利範圍第4項之方法，其尙包含注入一還 原試劑或在該燒燼區下游之還原試劑，該試劑與氮氧化物 起反應，以形成氮氣，且藉此減少將以別的方式由該爐膛 散發之氮氧化物之數量。 8 . —種減少氮氧化物散發量之燃燒方法，其包含： (A )提供一燃燒裝置； (B )將主要空氣及燃料經過一燃燒器餵入該裝置， 該燃燒器包含用於將第二空氣餵入該燃燒裝置之機構，及 選擇性地包含用於將第三空氣餵入該燃燒裝置之機構； -43- 200523509 (3) (C )燃燒一火燄中之燃料，而將該富含氧氣之氣流 餵入該火燄；及 (D )將一液態水噴霧注入該燃燒裝置。

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