專利名稱：降低氮氧化物生成量的燃燒方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可降低燃燒過程中氮氧化物生成量的燃燒方法，其中燃料燃燒所需空氣至少分兩步引入，第一步引入的空氣量低于化學(xué)計(jì)量，優(yōu)選是使空氣系數(shù)達(dá)到0.80-0.95，而且將基本上無單質(zhì)氧的氣體或氣體混合物與第一步待引入的空氣混合。
本發(fā)明還涉及實(shí)施說法的裝置，其中包括將空氣引入爐中的裝置，將燃料引入爐中的裝置，以及在將空氣引入爐之前將含氧量少于空氣的氣體或氣體混合物與待引入第一步不足化學(xué)計(jì)量燃燒操作的空氣混合的裝置。
所有燃燒方法中，當(dāng)空氣和燃料中的氮與氧結(jié)合而形成各種氧化物時，均會生成氮氧化物。在還原火焰中，主要是燃料中的氮迅速形成NOx，即獲得所謂的速成NOx。高溫下，大部分為氧化氮(NO)。溫度下降時，NO易于在氧存在下轉(zhuǎn)化成其它氮氧化物，主要是二氧化氮(NO2)。一旦達(dá)到要求的化學(xué)平衡條件，即主要的高溫和存在氧條件時，則氮氧化物在迅速反應(yīng)中高速生成。若在氮氧化物形成之后改變平衡條件以使氮氧化物分解，則分解工藝的反應(yīng)速度很低，分解操作要求的主要是時間，催化劑或其它化學(xué)品。從環(huán)境角度考慮，氮氧化物很有害。工業(yè)上以及發(fā)電廠和其它鍋爐廠產(chǎn)生大量氮氧化物，而環(huán)境保護(hù)中最重要的目標(biāo)之一是降低排入大氣中的NOx量。
為了降NOx排出量，將氮氧化物以各種方式轉(zhuǎn)化成另一形式。這些工藝包括采用各種催化劑的各種還原方法，并以各種方式采用吸收劑同時吸收硫和氮氧化物。這類方法會引起難于解決的各種問題，如價格高且難于得到用作催化劑的貴金屬以及吸收劑的吸收性能差。而且，采用吸收方法時因鍋爐容量和其它這類因素變化而常常難于定下裝置尺寸。
從技術(shù)上講，努力在燃燒過程中防止氮氧化物的形成，而不是設(shè)法分出氮氧化物，將更為有利。為此，已開發(fā)了各種NOx生成量的燃燒器，并且已嘗試在增壓空間進(jìn)行燃燒，除此而外，過熱前分級向鍋爐中通空氣。但事與愿速，這些方法沒有達(dá)到特別好的效果，因?yàn)閷?shí)際上氮氧化物生成條件的變化，反應(yīng)動力以及鍋爐操作條件及其變化等因素已使這些方法難于實(shí)施或大大降低了其效率。而且，已嘗試分出氮氧化物，其中采用循環(huán)爐床，在極低溫度(約800℃)下操作，即在不利于NOx形成條件下操作。但這降低了爐效率和燃燒不同燃料的能力，因?yàn)楸仨殞囟冉档途S持連續(xù)燃燒所需的最低點(diǎn)附近。上述方法已眾所周知，因此不詳述(見FinishMinistryofTradeamdIndustry/Energy，DepartmentD140，Helsinki1987)。
DE-OS-3040830公開了將鍋爐后續(xù)煙道中所得完全燃燒并冷卻的煙道氣與待引入不足化學(xué)計(jì)算第一燃燒區(qū)的空氣混合以降低氮氧化物量的方法。既使該法可在一定程度上阻止氮氧化物的形成，但也不可能對氮氧化物量進(jìn)行足夠的控制。此外，循環(huán)煙道氣可增加氣體流過鍋爐的量，因此要求更大的燃燒空間以及在鍋爐中設(shè)置更大的管道。
NO含量在還原區(qū)域一般較低，這取決于氫氣(H2)和一氧化碳(GO2)的還原效果。這些物質(zhì)會使可能形成的NO分解，反應(yīng)式大致如下
按已知方式進(jìn)行不足化學(xué)計(jì)算燃燒時，NO濃度原則上可保持低水平。問題只在條件成為還原性的或高溫，即1500℃以上時才出現(xiàn)。問題是，空氣稍為過量在爐條件下就會迅速形成NO，或在高溫(1500℃以上)時H2和CO因其還原勢降低而不再能阻止NO的形成。在現(xiàn)有裝置中特別是在初始火焰中，但也在第二和第三次引入空氣時出現(xiàn)這種情況?，F(xiàn)有技術(shù)裝置的初始火焰中形成NO的最重要原因之一是多相火焰含例如油滴或碳粒，并因而出現(xiàn)高濃度氧氣和燃燒氣梯度以及高溫梯度。因此總是可能在相際邊界出現(xiàn)少量局部的溫峰，例如在這一點(diǎn)的氧氣量達(dá)到化學(xué)計(jì)量或稍為超過化學(xué)計(jì)量時即是這樣。在典型的燃燒裝置中，溫度瞬時升高并在局部達(dá)到約2000℃。因此，局部NO濃度迅速升到約3500ppm(及時形成NOx)。這樣形成的NO不會在鍋爐條件下出現(xiàn)很大程度的分解。所以，很顯然，既使是瞬時出現(xiàn)的少量局部溫峰也會迅速升高廢氣中的NO平均值，而這一值應(yīng)保持在約100ppm的低溫水平。
本發(fā)明目的是提出這樣一種方法，其中在還原燃燒步驟，一般在所謂的初級燃燒時，特別是火焰中的NOx生成量可最大限度地降低并在該條件下可阻止形成NOx的先決條件而又無需任何復(fù)雜的裝置。無需在燃燒后分出NOx。該法特征是將含還原劑，如H2和CO的氣體或氣體混合物與待引入第一步的空氣混合，引入第一步的氣體混合物中氧含量優(yōu)選為12-19%，并且待引入氣體混合物的氧含量及還原勢可進(jìn)行調(diào)節(jié)以使所用燃料在絕熱燃燒溫度下按供入氧含量和還原勢進(jìn)行燃燒后的煙道氣中氮氧化合物濃度不高于預(yù)定值。
本發(fā)明基本概念是將空氣引入燃燒工藝中，其中在爐的還原部分，特別是在難控制的火焰內(nèi)的NOx生成量在各溫度條件下均保持足夠低的水平以及在該燃燒步驟中可能出現(xiàn)的氧氣/燃料之比。在還原條件下用氧含量低于普通空氣氧含量并含還原劑的氣體或氣體混合物進(jìn)行燃燒即可達(dá)到該目的。采用本發(fā)明方法，氮氧化物濃度可進(jìn)行控制，以使煙道氣中氮氧化物的平衡濃度，實(shí)際上也是最高濃度隨時都保持極低水平。
本發(fā)明另一目的是提出該法所用裝置。該裝置特征是混合裝置包括至少一個將部分來自第一步燃燒的煙道氣送入待引入第一步的空氣中并與之相混的煙道。
本發(fā)明裝置的基本數(shù)據(jù)是將還原氣或氣體混合物，即含還原劑的無氧或低氧氣體相互充分混合并至少引入鍋爐區(qū)，其中燃料和空氣一般相互混合不充分，從而使局部溫峰有可能出現(xiàn)。典型的是，該區(qū)為鍋爐的還原燃燒區(qū)，主要為火焰。
以下參照附圖詳述本發(fā)明。


圖1說明了現(xiàn)有技術(shù)中預(yù)定NO濃度下一般用空氣進(jìn)行燃燒時溫度和空氣系數(shù)(為氣體混合物中氧氣與不考慮其它成分，如惰性氣體和還原劑時燃燒所需理論氧量之比)的相互關(guān)系以及在典型油燃燒工藝中用空氣和空氣與鍋爐完全燃燒煙道氣組成的氣體的混合物，即氧含量17%的混合物進(jìn)行燃燒時絕熱溫度和空氣系數(shù)的相互關(guān)系(見DE-A-3040830)。
圖2舉例說明了維持燃燒的氣體為空氣，如同圖1完全燃燒煙道氣和空氣的混合物或還原燃燒循環(huán)的冷卻氣和空氣的混合物時純甲烷(CH4)燃燒所得最大NO量和空氣系數(shù)的相互關(guān)系。
圖3為本發(fā)明方法所用裝置示意圖。
圖1中曲線A-B舉例說明了一般用空氣燃燒時廣泛采用的油的絕熱燃燒溫度與空氣系數(shù)的關(guān)系。曲線C-D舉例說明了用完全燃燒煙道氣稀釋后的空氣，即氧含量為17%的混合物進(jìn)行燃燒時同種油絕熱燃溫度與空氣系數(shù)的關(guān)系。曲線E-F舉例說明了一般用空氣燃燒時100ppmNO濃度下對應(yīng)的溫度和空氣系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。該曲線以上NO濃度大于100ppm。高溫(1500℃以上)對本發(fā)明特別重要。由于火焰中最熱區(qū)域的局部溫度極為接近絕熱溫度，所以從中可看出一般用空氣燃燒時空氣系數(shù)低至0.82即可達(dá)到100ppm的NO濃度(G點(diǎn))。而采用完全燃燒煙道氣稀釋的煙道氣時空氣系數(shù)為0.93即可達(dá)到100ppm的濃度(H點(diǎn))。從最差的情況看，還原區(qū)內(nèi)最大NO濃度在一般用空氣燃燒時為約2700ppm，而在用該例中所述稀釋空氣燃燒時僅為約800ppm。圖1中第一次提到的值用I點(diǎn)表示，而最后提到的值用J點(diǎn)表示。
現(xiàn)已出人意料地發(fā)現(xiàn)，將含一定量還原劑的氣體或氣體混合物與燃燒空氣混合而使燃燒所需氧以不足化學(xué)計(jì)量且低于21%的均勻氧含量時，燃燒器的還原區(qū)，特別是在火焰中可阻止NO生成。因此可降低燃燒溫度，特別是火焰溫度，同時又可提高還原勢以使NOx不可能大量形成，即時是局部或瞬時都不可能。出現(xiàn)這種情形的優(yōu)選是火焰的局部溫峰不超過約1500℃并且借助循環(huán)來自還原燃燒步驟而一般含氧氣(H2)和一氧化碳(CO)的冷卻煙道氣降低氧濃度。降低溫度和提高還原勢均能有效地阻止NOx的生成。
在圖2中，曲線K-L說明了一般用空氣進(jìn)行絕熱燃燒純甲烷(CH4)時所得的最大NO濃度。曲線M-N說明了將完全燃燒煙道氣與燃燒空氣時的最大NO濃度。曲線O-N又說明了降低燃燒空氣中氧含量的例子，其中加入來自適當(dāng)冷卻的煙道氣，來自還原步驟，用相同的空氣系數(shù)操作，初級空氣體積流量為24%，從而在相當(dāng)程度上循環(huán)還原劑H2和CO。從圖中可清楚地看出，還原氣體的循環(huán)大大降低了NO濃度，同時溫度降低，而還原勢升高。例如，在空氣系數(shù)為0.80時NO濃度的最大降低量可達(dá)用空氣燃燒且空氣系數(shù)為0.80時的97%，即從0.048mol NO/hg CH4(圖2中的P點(diǎn))降到0.0012mol NO/hg CH4(圖2中的Q點(diǎn))并且在完全燃燒煙道氣與燃燒空氣混合(對應(yīng)于Q和R之比)時所得值的約73%。應(yīng)用本發(fā)明方法時，氧氣濃度以及還原劑的量和還原能力，即其還原勢可根據(jù)所用燃料和其它燃燒條件按要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。
現(xiàn)已出人意料地發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)有技術(shù)比較起來，本發(fā)明方法的最大效率，即NO生成量的最大下降量可用0.80-0.95的空氣系數(shù)達(dá)到。同樣出人意料的是，在發(fā)電廠鍋爐中，在典現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)的一次燃燒中所用空氣系數(shù)范圍內(nèi)也可達(dá)到NO濃度的最大降低效果。因此，本發(fā)明方法可有效地降低燃燒器火焰中的NOx生成量，即及時NOx生成量，而這在現(xiàn)有技術(shù)裝置中，既使不能說不可能，但也是最為困難的。在將圖2中M-N和O-N曲線進(jìn)行比較時，似乎在含還原劑的氣體或氣體混合物與空氣按本發(fā)明混合時，空氣系數(shù)為0.95仍然能達(dá)到比用普通空氣燃燒時(T點(diǎn))低約92%的NOx濃度(S點(diǎn))并且比加完全燃燒煙道氣(對應(yīng)于U和S點(diǎn)之比)所得值低40%。而且，采用完全燃燒的煙道氣可提高所用氣體量，這要求更大的鍋爐和更大的煙道，而在本發(fā)明方法中加大氣體量和更大的空間要求僅涉及鍋爐中發(fā)生還原燃燒的部分。正如圖2進(jìn)一步所示，在空氣系數(shù)為1，因?yàn)槿剂显诨瘜W(xué)計(jì)量下燃燒后的煙道氣中不再含任何還原劑所致，則曲線M-N和D-N相交。但這對于以低空氣系數(shù)進(jìn)行的燃燒工藝最終結(jié)果而言，并不重要。本發(fā)明中首要的是局部過熱可在不足化學(xué)計(jì)量下得以阻止，從而就不會形成氮氧化物。
圖3示意性地表示出了本發(fā)明方法所用裝置。該裝置包括燃燒器，如鍋爐1，帶有爐2。燃料用一個或3個進(jìn)料裝置3引入爐2之中。燃燒所需含氧氣體混合物經(jīng)過屬于供氣裝置的管道4引入爐2的同一部分之中。經(jīng)管道5將空氣引入管道4之中，而同時讓還原氣，即含大量還原劑，主要為H2和CO的至少在很大程度上可以說是不含氧氣的氣體混合物通過屬于混合裝置的管道6并經(jīng)過吹氣器7和氣體混合器8。待混合氣體優(yōu)選為來自爐2的煙道氣，爐2中進(jìn)行還原燃燒。含還原劑的煙道氣用冷卻器9和10冷卻，而其量由閥11進(jìn)行控制。還原煙道氣在混合器8中與待引入爐的空氣混合。還原燃燒中產(chǎn)生的大部分煙道氣通入后續(xù)燃燒步驟，這用單一燃燒步驟12示出了。在后續(xù)燃燒中，再通過管道14和閥13向鍋爐引入額外的空氣，從而使燃料盡可能完全燃燒。在這一階段，煙道氣用換熱器15冷卻后再用冷卻器16冷卻，之后用吹氣裝置17引入煙道18中。按照還原劑量要求，最終冷卻的煙道氣可與待引入第一步的爐2的空氣混合，其中采用已知方式通過管道19引入，此外來自還原步驟的煙道氣經(jīng)管道6引入，而最終煙道氣量用閥20調(diào)節(jié)。這樣，空氣和待引入爐的混合物的氧含量以及其中的還原劑濃度均可按所用燃燒條件和燃料進(jìn)行調(diào)節(jié)。若火焰或其一部分在還原步驟12開始時有變得太熱而產(chǎn)生過量的氮氧化物的危險時，可在還原燃燒步驟開始時用閥21和管道22送入還原氣而降低其中的火焰溫度。燃燒器的熱損失可用圖中所示絕緣材料23和24使燃燒室隔熱而得以降低。
應(yīng)該知道，上述的一些裝置可結(jié)合成一個整體而在結(jié)構(gòu)上達(dá)到更有利的解決方案。例如，部件2，10，12，15和16可很容易地結(jié)合起來。
在本發(fā)明裝置中最基本的是在空氣和還原氣引入爐中還原區(qū)之前要適當(dāng)混合并且火焰或部分火焰的溫度僅降到這種程度，即達(dá)到阻止NO的形成而又不中斷燃燒工藝的要求。在本發(fā)明方法中，空氣和燃料的混合比可通過例如所用燃料的熱值，維持燃燒所需最低溫度，氣體化學(xué)組成，要求的NOx水平，鍋爐受熱表面的尺寸，循環(huán)氣的冷卻程度(溫度)以及引入氣體位置等加以確定。因此，該比例范圍很寬;氣體量一般為引入空氣量的10-70%。
很顯然，在達(dá)到相同燃燒效率時，本發(fā)明裝置中所用氣體體積比現(xiàn)有技術(shù)裝置更大，當(dāng)然主要是指鍋爐的還原區(qū)。但是，鍋爐尺寸并不作很大改動，因?yàn)檠h(huán)優(yōu)選僅在不足化學(xué)計(jì)量燃燒步驟中進(jìn)行并且氣體流量增大大部分通過下降溫度引起的氣體密度變化而得以被償。另一方面也很顯然，循環(huán)氣體理論上并不降低鍋爐效率;但熱損失變化可能導(dǎo)致效率稍有降低。就達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)而言，這一缺點(diǎn)并不具有多大的重要性。
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是裝置可用眾所周知的廉價材料制成，而不用分出NOx的單獨(dú)昂貴設(shè)施，因?yàn)镹Ox的形成足以得到阻止。此外，本發(fā)明方法易于實(shí)施并且在其原理應(yīng)用于已知裝置和控制體系時又極容易控制。同樣可在燃燒器的最熱火焰點(diǎn)控制局部大量形成NOx，因?yàn)镹Ox的形成受到了限制以使其濃度不會超過某一設(shè)定值。排入環(huán)境的煙道氣中NO含量當(dāng)然不取于鍋爐氧化區(qū)的操作特性以及其結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.降低燃燒過程中氮氧化物生成量的燃燒方法，其中燃料燃燒所需空氣至少分兩步引入，第一步以不足化學(xué)計(jì)量引入空氣，優(yōu)選是使空氣系數(shù)達(dá)到0.80-0.95，而將基本上無單質(zhì)氧的氣體或氣體混合物與待引入第一步的空氣混合，并將含還原劑的氣體或氣體混合物與待引入第一步的空氣混合，其特征是來自不足化學(xué)計(jì)量燃燒步驟(優(yōu)選來自第一燃燒步驟)的含H2和/或CO的還原性燃燒氣與待引入第一步的空氣混合以使待引入第一步的氣體混合物中氧含量優(yōu)選達(dá)到12-19%，并對待引入空氣混合物的氧含量和還原勢進(jìn)行調(diào)節(jié)以使所用燃料在絕熱溫度下按照達(dá)到的氧含量和還原勢進(jìn)行燃燒而形成的煙道氣中氮氧化物濃度不超過預(yù)定濃度值。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征是煙道氣在與空氣混合前進(jìn)行冷卻。
3.實(shí)施權(quán)利要求1所述方法的裝置，其中包括將空氣引入爐(2)的裝置(4.5)，將燃料引入爐(2)的裝置(3)，以及將氧含量低于空氣的氣體或氣體混合物在引入爐2之前與待引入第一步不足化學(xué)計(jì)量燃燒的空氣混合的裝置(6，7，8，9，11)，其特征是混合裝置(6，7，8，9，11)包括至少一個煙道以將部分來自第一步燃燒的煙道氣通入待引入第一步的空氣之中并與之混合。
4.權(quán)利要求3的裝置，其特征是混合裝置(6，7，8，9，11)包括在與空氣混合之前將煙道氣冷卻的裝置(9，10)。
全文摘要
本發(fā)明為降低還原燃燒中，特別是火焰中氮氧化物生成量的燃燒方法和裝置。該法中，燃燒所需含氧氣體所含單質(zhì)氧低于空氣。該氣體由空氣和低氧或無氧含量的含還原劑氣體組成，優(yōu)選由還原燃燒空間所得單獨(dú)冷卻的煙道氣組成。所用裝置中包括至少一個煙道(6)，因此可將來自還原燃燒的含還原劑煙道氣經(jīng)過冷卻器(9)之后通入空氣混合器(8)中，其中與待引入鍋爐的一次空氣混合。
文檔編號F23C6/04GK1043522SQ8910930
公開日1990年7月4日 申請日期1989年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1988年12月15日
發(fā)明者周考·萊尼 申請人:歐伊坦佩爾拉公司