低NOx燃烧制造技术

通过将少量的氧气加入燃料料流中而形成较少的ＮＯｘ来实现烃液体和固体的燃烧。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及含有键合氮的烃燃料、特别是煤的燃烧。
技术介绍
在美国和全世界越来越重视环境问题，导致日益增加的公众和法规压力来减少从锅炉、煅烧器和炉释放出的污染。一个倍受关注的污染物是“NOx”(即氮的氧化物，例如但不限于NO、NO2、NO3、N2O、N2O3、N2O4、N3O4和它们的混合物)，它们隐含在酸雨、地表臭氧和细颗粒形成中。许多技术可以降低NOx释放量。这些技术可以分成主要两类，初级和二级。初级技术通过控制燃烧过程来最小化或防止在燃烧区中形成NOx。二级技术使用化学品将燃烧区中形成的NOx还原成分子氮。本专利技术是一种初级控制技术。在初级控制技术中，不同的燃烧策略用于控制所谓的“热NOx”和“燃料NOx”。“热NOx”是通过氮分子N2主要在燃烧空气中于高温下氧化产生的。这是从天然气和不含化学键合氮物质的轻油释放的NOx的主要来源。用于减少热NOx的主要控制策略是降低火焰最高温度。燃料NOx是通过在燃料中所含的含氮物质的氧化产生的，并且是从煤和重油的燃烧释放的NOx的主要来源。本专利技术涉及控制燃料NOx释放的改进方法。用于燃料NOx的初级控制技术通常称为分段燃烧，其中燃烧空气和燃料之间的混合要小心地控制以使NOx的形成最小化。从燃料氮形成NOx是基于从燃料挥发物和炭氮中的含氮物质形成NOx和形成N2之间的竞争。富氧条件驱动朝向形成NOx的竞争反应。富燃料条件驱动形成N2的反应。分段燃烧利用了该现象，通过小心控制空气和燃料的混合来形成富燃料区以防止形成NOx。为了降低NOx的释放，富燃料区必须足够热以驱动NOx还原动力学。但是，足够的热量必须从富燃料的第一阶段转变成炉热载荷以防止在第二阶段形成热NOx。常规的低NOx燃烧器(LNB)包括富燃料的第一区，它接近进料口，主要通过燃料和初级空气，及在一定程度上在该区域中混合的额外二级或三级空气的混合和燃烧来控制。对于煤粉的燃烧，初级空气用于输送煤颗粒。在第二区中，剩余的二级空气和任何三级空气与未燃烧的燃料和来自第一阶段的部分燃烧产物混合，并完成燃烧。对于分段燃烧的一个重要工艺要求是将足量的热从富燃料的第一阶段转变成炉热载荷以使来自第一阶段的燃烧产物冷却。较低的第二阶段温度帮助降低剩余含氮化合物向NOx的转化和防止在第二阶段中形成热NOx。在空气动力学分段的LNB中，所有燃烧空气从相同的燃烧器入口或邻近燃烧器入口引入。最常见的低NOx煤燃烧器结构是具有一系列用于煤/初级空气、二级空气和三级空气的环形通道。中心通道通常用于油枪或用于天然气以开始加热。二级空气和三级空气料流配备有旋流发生器形成旋流，从而为了火焰稳定性而形成循环区。调节空气速度和旋流以形成沿着燃烧器轴的较大的富燃料第一区，然后沿着炉纵向逐渐混合二级空气和三级空气。因为必须提供充足的空气速度以在炉空间内混合燃料和空气从而完成燃烧，所以难以形成非常大的富燃料区以为最大降低NOx而提供足够长的停留时间。尽管LNB是较便宜的降低NOx的方式且在燃烧器设计中已经有许多进展，但是目前可用的方案仍然不能达到未决法规对于公用锅炉燃煤的0.15lb(作为NO2)/MMBtu的释放限制。本领域技术人员已经通过使用“过度燃烧空气”(OFA)的整体分段燃烧设计克服了空气动力学分段LNB的限制。OFA被从一个燃烧器或一组燃烧器分别注入以提供大的富燃料初级燃烧区(PCZ)和烧除区(BOZ)，其中通过混合OFA和未燃烧的燃料及来自PCZ的部分燃烧产物的混合来完成燃烧。通常，OFA入口与最近的燃烧器相距至少一个燃烧器入口直径，并与最远的燃烧器相距几个燃烧器入口直径。尽管燃料和空气的混合以及在单个燃烧器的燃烧器入口附近的局部化学计量条件与没有OFA的那些相似，但是大的富燃料PCZ是在燃烧器附近的燃烧空气混合区之外形成。由于OFA注射口的物理分离，在富燃料PCZ中的停留时间远远长于在空气动力学分段燃烧器的富燃料第一区中通常得到的时间。LNB和OFA的入口的组合能够进一步降低NOx释放。低NOx燃烧器和过度燃烧空气代表了一个比较成熟的技术，并且在专利和档案文献中广泛讨论。已经提出了许多方法来提高LNB和OFA的效率并同时使不利影响最小，例如差的火焰稳定性和灰分中的碳含量增加。在这些建议中，两个建议是特别相关的将空气预热到第一阶段，和将燃烧器转化成含氧燃料燃烧。空气预热和含氧燃料燃烧都能提高分段燃烧的效率以通过提高初级燃烧区中的温度且不增加化学计量比来降低燃料NOx。含氧燃料燃烧提供的额外优点是在富燃料区域中的较长停留时间，这是由于较少的气流，这表现在NOx的释放降低。如上所述，分段燃烧使用富燃料阶段来促进形成N2而不是NOx。因为形成N2的反应是动力学控制的，所以温度和烃残基浓度对于减少形成NOx都是关键的。例如，如果温度高而残基浓度低，例如在未分段或温和分段的条件下，NOx的形成增加。当残基浓度高但温度低时，例如在深度分段的条件下，中间物质例如HCN向N2的转化被延迟。当加入空气以完成烧除时，中间产物氧化形成NOx，所以NOx的净形成量增加。Sarofim等在“Strategies for Controlling Nitrogen OxideEmissions During Combustion of Nitrogen Bearing Fuels”，第69届AIChE年会，芝加哥，IL，1976年11月中和其它人已经建议第一阶段动力学可以通过将燃烧空气预热到相当高的温度来提高。或者Kobayashi等(“NOx Emission Characteristics of IndustrialBurners and Control Methods Under Oxygen-Enriched CombustionConditions”，International Flame Research Foundation 9thMembers’Conference，Noordwijkerhout，1989年5月)建议使用氧气代替燃烧空气也将提高动力学。当火焰温度通过燃烧器设计控制时，含氧燃料燃烧还通过基本上清除燃烧空气中的N2来降低热NOx的形成。在这两种情况下，净结果是在第一阶段的气体温度升高，导致NOx的形成降低。另外，使用空气预热和含氧燃料燃烧使得第一阶段更深度地分段，且不会降低火焰稳定性。这进一步降低了NOx的形成。含氧燃料燃烧为LNB提供了另一个优点。Timothy等(“Characteristics of Single Particle Coal Combustion”，19thSymposium(international)on Combustion，The CombustionInstitute，1983)显示当煤在富氧条件下燃烧时，脱挥发分次数显著减少，挥发物产率增加。这些实验是单颗粒燃烧实验，在高度贫燃料条件下进行，这不会提供关于需要多少氧气在更现实的燃烧条件下来完成的信息。较高的挥发物产率表示在气相中的可燃物高于基线，导致更富燃料的气相，这抑制了从挥发性含氮物质形成NOx。另外，燃料挥发物迅速点燃并将火焰固定在燃烧器上，这已经通过较低的NOx形成表现出来。提高的挥发物产率还导致较短的烧除时间，因为留下较少的炭。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低ＮＯｘ释放量的燃烧方法，包括：提供燃烧装置（１），该装置具有初级燃烧区（１０）和烧除区（９）；经由燃烧器（３）将空气和含有键合氮的无水燃料加入所述初级燃烧区（１０）中，其中该无水燃料选自雾化烃液和粉末烃固体；和　 　在具有富燃料区（８）的初级燃烧区（１０）内的火焰（６）中燃烧该燃料，同时通过在从所述燃烧器（３）排出所述燃料时将氧气直接注射入所述初级燃烧区（１０）内的所述燃料中或通过将氧气加入经由所述燃烧器（３）加入的空气中，将氧气加入到所述燃 料中，以使氧气在所述富燃料区（８）中与所述燃料燃烧，其中所述氧气的量小于完全燃烧所述燃料所需的化学计算量的２０％，并调节经由所述燃烧器（３）加入的空气量以使在所述初级燃料区（１０）中的化学计量比是０．６－０．９９，和将空气从非所述燃 烧器（３）的来源（７）加入到所述烧除区（９）中，其含有足量的氧气以使加入所述装置（１）中的氧气总量至少是完全燃烧所述燃料所需的化学计算量，和在所述烧除区（９）中燃烧来自所述初级燃烧区（１０）的残余可燃物。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：H科巴亚施，LE布尔三世，DR汤姆普森，
申请(专利权)人：普莱克斯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]