降低氮氧化物生成量的燃烧方法及其装置的制作方法

专利名称：降低氮氧化物生成量的燃烧方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及可降低燃烧过程中氮氧化物生成量的燃烧方法，其中燃料燃烧所需空气至少分两步引入，第一步引入的空气量低于化学计量，优选是使空气系数达到0.80-0.95，而且将基本上无单质氧的气体或气体混合物与第一步待引入的空气混合。
本发明还涉及实施说法的装置，其中包括将空气引入炉中的装置，将燃料引入炉中的装置，以及在将空气引入炉之前将含氧量少于空气的气体或气体混合物与待引入第一步不足化学计量燃烧操作的空气混合的装置。
所有燃烧方法中，当空气和燃料中的氮与氧结合而形成各种氧化物时，均会生成氮氧化物。在还原火焰中，主要是燃料中的氮迅速形成NOx，即获得所谓的速成NOx。高温下，大部分为氧化氮(NO)。温度下降时，NO易于在氧存在下转化成其它氮氧化物，主要是二氧化氮(NO2)。一旦达到要求的化学平衡条件，即主要的高温和存在氧条件时，则氮氧化物在迅速反应中高速生成。若在氮氧化物形成之后改变平衡条件以使氮氧化物分解，则分解工艺的反应速度很低，分解操作要求的主要是时间，催化剂或其它化学品。从环境角度考虑，氮氧化物很有害。工业上以及发电厂和其它锅炉厂产生大量氮氧化物，而环境保护中最重要的目标之一是降低排入大气中的NOx量。
为了降NOx排出量，将氮氧化物以各种方式转化成另一形式。这些工艺包括采用各种催化剂的各种还原方法，并以各种方式采用吸收剂同时吸收硫和氮氧化物。这类方法会引起难于解决的各种问题，如价格高且难于得到用作催化剂的贵金属以及吸收剂的吸收性能差。而且，采用吸收方法时因锅炉容量和其它这类因素变化而常常难于定下装置尺寸。
从技术上讲，努力在燃烧过程中防止氮氧化物的形成，而不是设法分出氮氧化物，将更为有利。为此，已开发了各种NOx生成量的燃烧器，并且已尝试在增压空间进行燃烧，除此而外，过热前分级向锅炉中通空气。但事与愿速，这些方法没有达到特别好的效果，因为实际上氮氧化物生成条件的变化，反应动力以及锅炉操作条件及其变化等因素已使这些方法难于实施或大大降低了其效率。而且，已尝试分出氮氧化物，其中采用循环炉床，在极低温度(约800℃)下操作，即在不利于NOx形成条件下操作。但这降低了炉效率和燃烧不同燃料的能力，因为必须将温度降低维持连续燃烧所需的最低点附近。上述方法已众所周知，因此不详述(见FinishMinistryofTradeamdIndustry/Energy，DepartmentD140，Helsinki1987)。
DE-OS-3040830公开了将锅炉后续烟道中所得完全燃烧并冷却的烟道气与待引入不足化学计算第一燃烧区的空气混合以降低氮氧化物量的方法。既使该法可在一定程度上阻止氮氧化物的形成，但也不可能对氮氧化物量进行足够的控制。此外，循环烟道气可增加气体流过锅炉的量，因此要求更大的燃烧空间以及在锅炉中设置更大的管道。
NO含量在还原区域一般较低，这取决于氢气(H2)和一氧化碳(GO2)的还原效果。这些物质会使可能形成的NO分解，反应式大致如下
按已知方式进行不足化学计算燃烧时，NO浓度原则上可保持低水平。问题只在条件成为还原性的或高温，即1500℃以上时才出现。问题是，空气稍为过量在炉条件下就会迅速形成NO，或在高温(1500℃以上)时H2和CO因其还原势降低而不再能阻止NO的形成。在现有装置中特别是在初始火焰中，但也在第二和第三次引入空气时出现这种情况。现有技术装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，并因而出现高浓度氧气和燃烧气梯度以及高温梯度。因此总是可能在相际边界出现少量局部的温峰，例如在这一点的氧气量达到化学计量或稍为超过化学计量时即是这样。在典型的燃烧装置中，温度瞬时升高并在局部达到约2000℃。因此，局部NO浓度迅速升到约3500ppm(及时形成NOx)。这样形成的NO不会在锅炉条件下出现很大程度的分解。所以，很显然，既使是瞬时出现的少量局部温峰也会迅速升高废气中的NO平均值，而这一值应保持在约100ppm的低温水平。
本发明目的是提出这样一种方法，其中在还原燃烧步骤，一般在所谓的初级燃烧时，特别是火焰中的NOx生成量可最大限度地降低并在该条件下可阻止形成NOx的先决条件而又无需任何复杂的装置。无需在燃烧后分出NOx。该法特征是将含还原剂，如H2和CO的气体或气体混合物与待引入第一步的空气混合，引入第一步的气体混合物中氧含量优选为12-19%，并且待引入气体混合物的氧含量及还原势可进行调节以使所用燃料在绝热燃烧温度下按供入氧含量和还原势进行燃烧后的烟道气中氮氧化合物浓度不高于预定值。
本发明基本概念是将空气引入燃烧工艺中，其中在炉的还原部分，特别是在难控制的火焰内的NOx生成量在各温度条件下均保持足够低的水平以及在该燃烧步骤中可能出现的氧气/燃料之比。在还原条件下用氧含量低于普通空气氧含量并含还原剂的气体或气体混合物进行燃烧即可达到该目的。采用本发明方法，氮氧化物浓度可进行控制，以使烟道气中氮氧化物的平衡浓度，实际上也是最高浓度随时都保持极低水平。
本发明另一目的是提出该法所用装置。该装置特征是混合装置包括至少一个将部分来自第一步燃烧的烟道气送入待引入第一步的空气中并与之相混的烟道。
本发明装置的基本数据是将还原气或气体混合物，即含还原剂的无氧或低氧气体相互充分混合并至少引入锅炉区，其中燃料和空气一般相互混合不充分，从而使局部温峰有可能出现。典型的是，该区为锅炉的还原燃烧区，主要为火焰。
以下参照附图详述本发明。


图1说明了现有技术中预定NO浓度下一般用空气进行燃烧时温度和空气系数(为气体混合物中氧气与不考虑其它成分，如惰性气体和还原剂时燃烧所需理论氧量之比)的相互关系以及在典型油燃烧工艺中用空气和空气与锅炉完全燃烧烟道气组成的气体的混合物，即氧含量17%的混合物进行燃烧时绝热温度和空气系数的相互关系(见DE-A-3040830)。
图2举例说明了维持燃烧的气体为空气，如同图1完全燃烧烟道气和空气的混合物或还原燃烧循环的冷却气和空气的混合物时纯甲烷(CH4)燃烧所得最大NO量和空气系数的相互关系。
图3为本发明方法所用装置示意图。
图1中曲线A-B举例说明了一般用空气燃烧时广泛采用的油的绝热燃烧温度与空气系数的关系。曲线C-D举例说明了用完全燃烧烟道气稀释后的空气，即氧含量为17%的混合物进行燃烧时同种油绝热燃温度与空气系数的关系。曲线E-F举例说明了一般用空气燃烧时100ppmNO浓度下对应的温度和空气系数的对应关系。该曲线以上NO浓度大于100ppm。高温(1500℃以上)对本发明特别重要。由于火焰中最热区域的局部温度极为接近绝热温度，所以从中可看出一般用空气燃烧时空气系数低至0.82即可达到100ppm的NO浓度(G点)。而采用完全燃烧烟道气稀释的烟道气时空气系数为0.93即可达到100ppm的浓度(H点)。从最差的情况看，还原区内最大NO浓度在一般用空气燃烧时为约2700ppm，而在用该例中所述稀释空气燃烧时仅为约800ppm。图1中第一次提到的值用I点表示，而最后提到的值用J点表示。
现已出人意料地发现，将含一定量还原剂的气体或气体混合物与燃烧空气混合而使燃烧所需氧以不足化学计量且低于21%的均匀氧含量时，燃烧器的还原区，特别是在火焰中可阻止NO生成。因此可降低燃烧温度，特别是火焰温度，同时又可提高还原势以使NOx不可能大量形成，即时是局部或瞬时都不可能。出现这种情形的优选是火焰的局部温峰不超过约1500℃并且借助循环来自还原燃烧步骤而一般含氧气(H2)和一氧化碳(CO)的冷却烟道气降低氧浓度。降低温度和提高还原势均能有效地阻止NOx的生成。
在图2中，曲线K-L说明了一般用空气进行绝热燃烧纯甲烷(CH4)时所得的最大NO浓度。曲线M-N说明了将完全燃烧烟道气与燃烧空气时的最大NO浓度。曲线O-N又说明了降低燃烧空气中氧含量的例子，其中加入来自适当冷却的烟道气，来自还原步骤，用相同的空气系数操作，初级空气体积流量为24%，从而在相当程度上循环还原剂H2和CO。从图中可清楚地看出，还原气体的循环大大降低了NO浓度，同时温度降低，而还原势升高。例如，在空气系数为0.80时NO浓度的最大降低量可达用空气燃烧且空气系数为0.80时的97%，即从0.048mol NO/hg CH4(图2中的P点)降到0.0012mol NO/hg CH4(图2中的Q点)并且在完全燃烧烟道气与燃烧空气混合(对应于Q和R之比)时所得值的约73%。应用本发明方法时，氧气浓度以及还原剂的量和还原能力，即其还原势可根据所用燃料和其它燃烧条件按要求进行调节。
现已出人意料地发现，与现有技术比较起来，本发明方法的最大效率，即NO生成量的最大下降量可用0.80-0.95的空气系数达到。同样出人意料的是，在发电厂锅炉中，在典现现有技术的一次燃烧中所用空气系数范围内也可达到NO浓度的最大降低效果。因此，本发明方法可有效地降低燃烧器火焰中的NOx生成量，即及时NOx生成量，而这在现有技术装置中，既使不能说不可能，但也是最为困难的。在将图2中M-N和O-N曲线进行比较时，似乎在含还原剂的气体或气体混合物与空气按本发明混合时，空气系数为0.95仍然能达到比用普通空气燃烧时(T点)低约92%的NOx浓度(S点)并且比加完全燃烧烟道气(对应于U和S点之比)所得值低40%。而且，采用完全燃烧的烟道气可提高所用气体量，这要求更大的锅炉和更大的烟道，而在本发明方法中加大气体量和更大的空间要求仅涉及锅炉中发生还原燃烧的部分。正如图2进一步所示，在空气系数为1，因为燃料在化学计量下燃烧后的烟道气中不再含任何还原剂所致，则曲线M-N和D-N相交。但这对于以低空气系数进行的燃烧工艺最终结果而言，并不重要。本发明中首要的是局部过热可在不足化学计量下得以阻止，从而就不会形成氮氧化物。
图3示意性地表示出了本发明方法所用装置。该装置包括燃烧器，如锅炉1，带有炉2。燃料用一个或3个进料装置3引入炉2之中。燃烧所需含氧气体混合物经过属于供气装置的管道4引入炉2的同一部分之中。经管道5将空气引入管道4之中，而同时让还原气，即含大量还原剂，主要为H2和CO的至少在很大程度上可以说是不含氧气的气体混合物通过属于混合装置的管道6并经过吹气器7和气体混合器8。待混合气体优选为来自炉2的烟道气，炉2中进行还原燃烧。含还原剂的烟道气用冷却器9和10冷却，而其量由阀11进行控制。还原烟道气在混合器8中与待引入炉的空气混合。还原燃烧中产生的大部分烟道气通入后续燃烧步骤，这用单一燃烧步骤12示出了。在后续燃烧中，再通过管道14和阀13向锅炉引入额外的空气，从而使燃料尽可能完全燃烧。在这一阶段，烟道气用换热器15冷却后再用冷却器16冷却，之后用吹气装置17引入烟道18中。按照还原剂量要求，最终冷却的烟道气可与待引入第一步的炉2的空气混合，其中采用已知方式通过管道19引入，此外来自还原步骤的烟道气经管道6引入，而最终烟道气量用阀20调节。这样，空气和待引入炉的混合物的氧含量以及其中的还原剂浓度均可按所用燃烧条件和燃料进行调节。若火焰或其一部分在还原步骤12开始时有变得太热而产生过量的氮氧化物的危险时，可在还原燃烧步骤开始时用阀21和管道22送入还原气而降低其中的火焰温度。燃烧器的热损失可用图中所示绝缘材料23和24使燃烧室隔热而得以降低。
应该知道，上述的一些装置可结合成一个整体而在结构上达到更有利的解决方案。例如，部件2，10，12，15和16可很容易地结合起来。
在本发明装置中最基本的是在空气和还原气引入炉中还原区之前要适当混合并且火焰或部分火焰的温度仅降到这种程度，即达到阻止NO的形成而又不中断燃烧工艺的要求。在本发明方法中，空气和燃料的混合比可通过例如所用燃料的热值，维持燃烧所需最低温度，气体化学组成，要求的NOx水平，锅炉受热表面的尺寸，循环气的冷却程度(温度)以及引入气体位置等加以确定。因此，该比例范围很宽;气体量一般为引入空气量的10-70%。
很显然，在达到相同燃烧效率时，本发明装置中所用气体体积比现有技术装置更大，当然主要是指锅炉的还原区。但是，锅炉尺寸并不作很大改动，因为循环优选仅在不足化学计量燃烧步骤中进行并且气体流量增大大部分通过下降温度引起的气体密度变化而得以被偿。另一方面也很显然，循环气体理论上并不降低锅炉效率;但热损失变化可能导致效率稍有降低。就达到的优点而言，这一缺点并不具有多大的重要性。
本发明优点是装置可用众所周知的廉价材料制成，而不用分出NOx的单独昂贵设施，因为NOx的形成足以得到阻止。此外，本发明方法易于实施并且在其原理应用于已知装置和控制体系时又极容易控制。同样可在燃烧器的最热火焰点控制局部大量形成NOx，因为NOx的形成受到了限制以使其浓度不会超过某一设定值。排入环境的烟道气中NO含量当然不取于锅炉氧化区的操作特性以及其结构。
权利要求
1.降低燃烧过程中氮氧化物生成量的燃烧方法，其中燃料燃烧所需空气至少分两步引入，第一步以不足化学计量引入空气，优选是使空气系数达到0.80-0.95，而将基本上无单质氧的气体或气体混合物与待引入第一步的空气混合，并将含还原剂的气体或气体混合物与待引入第一步的空气混合，其特征是来自不足化学计量燃烧步骤(优选来自第一燃烧步骤)的含H2和/或CO的还原性燃烧气与待引入第一步的空气混合以使待引入第一步的气体混合物中氧含量优选达到12-19%，并对待引入空气混合物的氧含量和还原势进行调节以使所用燃料在绝热温度下按照达到的氧含量和还原势进行燃烧而形成的烟道气中氮氧化物浓度不超过预定浓度值。
2.权利要求1的方法，其特征是烟道气在与空气混合前进行冷却。
3.实施权利要求1所述方法的装置，其中包括将空气引入炉(2)的装置(4.5)，将燃料引入炉(2)的装置(3)，以及将氧含量低于空气的气体或气体混合物在引入炉2之前与待引入第一步不足化学计量燃烧的空气混合的装置(6，7，8，9，11)，其特征是混合装置(6，7，8，9，11)包括至少一个烟道以将部分来自第一步燃烧的烟道气通入待引入第一步的空气之中并与之混合。
4.权利要求3的装置，其特征是混合装置(6，7，8，9，11)包括在与空气混合之前将烟道气冷却的装置(9，10)。
全文摘要
本发明为降低还原燃烧中，特别是火焰中氮氧化物生成量的燃烧方法和装置。该法中，燃烧所需含氧气体所含单质氧低于空气。该气体由空气和低氧或无氧含量的含还原剂气体组成，优选由还原燃烧空间所得单独冷却的烟道气组成。所用装置中包括至少一个烟道(6)，因此可将来自还原燃烧的含还原剂烟道气经过冷却器(9)之后通入空气混合器(8)中，其中与待引入锅炉的一次空气混合。
文档编号F23C6/04GK1043522SQ8910930
公开日1990年7月4日 申请日期1989年12月15日 优先权日1988年12月15日
发明者周考·莱尼 申请人:欧伊坦佩尔拉公司