燃氧耦合燃燒和再循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及燃氧耦合燃燒和再循環(huán)系統(tǒng)。提供一種用于燃氧爐的燃燒系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)包括能夠安裝在燃氧爐上且具有至少一個(gè)主要燃燒位置的至少一個(gè)風(fēng)箱。至少一個(gè)一次入口定位在至少一個(gè)主要燃燒位置，用于將燃料和第一氧化劑運(yùn)送到燃氧爐中。至少一個(gè)二次入口定位在至少一個(gè)主要燃燒位置，用于將第二氧化劑運(yùn)送到燃氧爐中。至少一個(gè)二次入口與至少一個(gè)一次入口有角地偏移。
【專(zhuān)利說(shuō)明】燃氧耦合燃燒和再循環(huán)系統(tǒng)
[0001]政府權(quán)利
本發(fā)明是在美國(guó)合同N0.DE-NT0005290下利用政府支持完成的。美國(guó)政府對(duì)本發(fā)明保留某些權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本公開(kāi)大體涉及燃氧耦合燃燒和再循環(huán)系統(tǒng)，并且更特別地，涉及切向燃燒式燃氧和再循環(huán)系統(tǒng)，其中，選擇性地提高氧濃度。
【背景技術(shù)】
[0003]蒸汽發(fā)生器，特別是那些煤燃型蒸汽發(fā)生器，可產(chǎn)生有害排放。目前的努力集中在氧燃燒(例如，燃氧)上，該氧燃燒將氧噴射到管道中，該管道將煙道氣輸送到燃料供應(yīng)系統(tǒng)(例如，碎煤機(jī)系統(tǒng))和/或蒸汽發(fā)生器中?？蓮目諝夥蛛x單元供應(yīng)氧。由于消除了空氣燃燒時(shí)出現(xiàn)的固有氮，故氧燃燒導(dǎo)致可更高效地封存的基本純的二氧化碳產(chǎn)物氣體。大多數(shù)燃氧蒸汽發(fā)生器利用重要的煙道氣再循環(huán)來(lái)緩和爐溫度。高速率的氣體再循環(huán)增加相當(dāng)高的成本、復(fù)雜性，并且提高對(duì)輔助功率的需要。
[0004]典型地，在進(jìn)入蒸汽發(fā)生器之前，來(lái)自空氣分離單元的氧與形成氧化劑流的再循環(huán)煙道氣流混合。為了匹配空氣燃燒熱性能，要求近似28%的總體氧濃度。由于空氣和再循環(huán)煙道氣之間的氣體密度和熱容量的差異，故該總體氧化劑的氧濃度高于典型空氣?？蓪?duì)氧化劑流中的氧濃度施行一些限制。例如，可使將粉碎燃料輸送到蒸汽發(fā)生器的一次氧化劑流局限于空氣的大約21%的氧含量，以避免關(guān)于燃料過(guò)早燃燒的問(wèn)題。而且，大大高于21%的氧含量可要求用較昂貴的、適于氧含量較高的較高級(jí)別的材料制造管道和其它構(gòu)件。對(duì)于氧化劑典型地經(jīng)受的溫度200-900 °F，管道和構(gòu)件的限制為23.5%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本文示出的方面，提供一種用于燃氧爐的燃燒系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)包括能夠安裝在燃氧爐上且具有至少一個(gè)主要燃燒位置的至少一個(gè)風(fēng)箱。至少一個(gè)一次入口定位在至少一個(gè)主要燃燒位置，用于將燃料和第一氧化劑運(yùn)送到燃氧爐中。至少一個(gè)二次入口定位在至少一個(gè)主要燃燒位置，用于將第二氧化劑運(yùn)送到燃氧爐中。至少一個(gè)二次入口與至少一個(gè)一次入口有角地偏移。
[0006]根據(jù)本文示出的另外的方面，提供一種燃氧系統(tǒng)，其具有限定至少一個(gè)壁的切向燃燒燃氧爐。燃料源將燃料運(yùn)送到燃氧爐，并且氧化劑源產(chǎn)生第一氧化劑流。一次氣體再循環(huán)流從煙道氣提取，其富含從第一氧化劑流提取的氧，并且作為第一富氧流傳送到燃氧爐。二次氣體再循環(huán)流從煙道氣提取，其富含從第一氧化劑流提取的氧，并且作為第二富氧流傳送到燃氧爐。提供一種用于燃氧爐的燃燒系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)包括能夠安裝在燃氧爐上且具有至少一個(gè)主要燃燒位置的至少一個(gè)風(fēng)箱。至少一個(gè)一次入口定位在至少一個(gè)主要燃燒位置，用于將燃料和第一氧化劑運(yùn)送到燃氧爐中。至少一個(gè)二次入口定位在至少一個(gè)主要燃燒位置，用于將第二氧化劑運(yùn)送到燃氧爐中。至少一個(gè)二次入口與至少一個(gè)一次入口有角地偏移。
[0007]以下面的圖且在詳細(xì)描述中舉例說(shuō)明上面描述的特征和其它特征。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]現(xiàn)在參照附圖，附圖是示例性實(shí)施例，并且其中，用相同方式對(duì)相同元件編號(hào):
圖1是根據(jù)本發(fā)明的燃氧耦合燃燒和再循環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
[0009]圖2是根據(jù)本發(fā)明的燃氧耦合燃燒和再循環(huán)系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
[0010]圖3是用于在圖1和圖2的燃氧耦合燃燒和再循環(huán)系統(tǒng)中使用的切向燃燒式燃燒系統(tǒng)的側(cè)視圖。
[0011]圖4是圖3的切向燃燒式燃燒系統(tǒng)的俯視圖。
[0012]圖5是與噴燃器區(qū)分級(jí)有關(guān)的NOx排放的圖形表示。
[0013]圖6A提供計(jì)算流體動(dòng)力建模的結(jié)果，其顯示在根據(jù)本發(fā)明的噴射策略進(jìn)行優(yōu)化之前的基準(zhǔn)燃氧的爐壁CO濃度。
[0014]圖6B提供計(jì)算流體動(dòng)力建模的結(jié)果，其顯示在根據(jù)本發(fā)明的噴射策略進(jìn)行優(yōu)化時(shí)的基準(zhǔn)燃氧的爐壁CO濃度
圖7提供分別使用圖6A和6B中顯示的相同基準(zhǔn)和噴射策略而獲得的所得測(cè)量結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0015]參照?qǐng)D1，燃氧耦合燃燒和再循環(huán)系統(tǒng)大體由附圖標(biāo)記10表示，在下文中被稱(chēng)為燃氧系統(tǒng)10,并且包括燃氧爐12，燃氧爐12具有切向燃燒系統(tǒng),諸如切向燃燒鍋爐40。電功率產(chǎn)生系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例包括燃氧系統(tǒng)10，燃氧系統(tǒng)10具有蒸汽發(fā)生部分，該蒸汽發(fā)生部分包括切向燃燒鍋爐40。
[0016]燃氧系統(tǒng)10包括燃料源15和燃料16 (諸如例如粉煤)，燃料16從燃料源15傳送到鍋爐40。諸如空氣分離單元50的氧化劑源從進(jìn)入空氣流52提取氧，或者直接從大氣提取氧，并且排出氮流54。第一氧化劑流18傳送來(lái)自空氣分離單元50的氧，并且將氧傳送到鍋爐40中。雖然第一氧化劑流18顯示和描述為從空氣分離單元50傳送到鍋爐40中，但本發(fā)明在該方面不受限制，這是因?yàn)榈谝谎趸瘎┝?8可由任何氧源提供，而不偏離本發(fā)明的較寬泛方面。
[0017]燃料16在鍋爐40中與第一氧化劑流18的燃燒產(chǎn)生煙道氣20的流出流。煙道氣20的組分典型地包括CO2、水蒸氣和少量02、N2,以及諸如S0X、NOx和CO的污染物。煙道氣20從鍋爐40傳送通過(guò)第一熱交換單元60，并且隨后傳送通過(guò)一個(gè)或更多個(gè)煙道氣處理單元。這樣的煙道氣處理單元可包括(但不限于)空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)(“AQCS”)70的一個(gè)或更多個(gè)單元，用于控制煙道氣20、煙道氣冷卻器或第二熱交換單元80和氣體處理單元90的顆粒和/或從煙道氣20、煙道氣冷卻器或第二熱交換單元80和氣體處理單元90移除顆粒。在圖1中顯示的實(shí)施例中，燃氧系統(tǒng)10的AQCS單元包括顆粒控制單元72和硫控制單元74。在傳送通過(guò)AQCS單元之后，煙道氣20在第二熱交換單元80中冷卻。從第二熱交換單元80排出的煙道氣20傳送到氣體處理單元90，主要是為了進(jìn)行碳捕捉和存儲(chǔ)，使得阻止CO2排放流92釋放到大氣中。從煙道氣20移除水和其它成分和顆粒產(chǎn)生適于封存或其它用途的基本純的CO2流。
[0018]從排出自第二熱交換單元80的煙道氣20提取再循環(huán)煙道氣26，并且再循環(huán)煙道氣26分成一次氣體再循環(huán)流28和二次氣體再循環(huán)流30。一次氣體再循環(huán)流28和二次氣體再循環(huán)流30在第一熱交換單元60中被接收自鍋爐40且傳送通過(guò)鍋爐40的煙道氣20加熱。一次氣體再循環(huán)流28從第一熱交換單元60傳送，富含從第一氧化劑流18提取的氧，以形成第一富氧流29，并且引入到燃料源15中，并且作為燃料16和一次氧化劑的混合物傳送到鍋爐40。二次氣體再循環(huán)流30從第一熱交換單元60傳送，富含從第一氧化劑流18提取的氧，以形成第二富氧流32，并且作為二次氧化劑或第二氧化劑流傳送到鍋爐40。因此，在燃氧系統(tǒng)10中，典型的燃燒空氣(即，第一氧化劑流18)被富氧流29和32 ( S卩，富氧氣體再循環(huán)流28和30)取代。燃燒產(chǎn)物包括CO2含量高的煙道氣流出流，其可被更簡(jiǎn)單地處理用于封存或高純度產(chǎn)物。
[0019]燃料需要一定量的氧加上一些量的多余氧，以確保完全燃燒。添加到富氧流32的氧量基于在鍋爐40中燃燒的燃料16的量。燃燒燃料16與第一氧化劑流18將產(chǎn)生比實(shí)際鍋爐材料高得多的火焰溫度。用從第一氧化劑流18提取的氧來(lái)補(bǔ)充CO2含量高的二次氣體再循環(huán)流30，并且提供富氧流32，用于燃燒鍋爐40中的燃料16，從而緩和爐溫度。如果需要額外的氧來(lái)燃燒燃料16，則第一氧化劑流18的一部分還可傳送到鍋爐40?？墒挂淮螝怏w再循環(huán)流28選擇性地富含氧，該氧從第一氧化劑流18抽出，并且在一個(gè)或更多個(gè)適當(dāng)?shù)膰娚湮恢锰?諸如例如圖1中顯示的位置A和C)，經(jīng)由第二氧流33A和/或第三氧流33C，噴射到一次氣體再循環(huán)流28中?？蓮牡谝谎趸瘎┝?8抽出添加到富氧流32的補(bǔ)充氧，并且在一個(gè)或更多個(gè)適當(dāng)?shù)膰娚湮恢锰?諸如例如圖1中顯示的位置B和D)，經(jīng)由第四氧流34B和/或第五氧流34D，將補(bǔ)充氧噴射到二次氣體再循環(huán)流30中。雖然二次氣體再循環(huán)流30顯示和描述為在位置I處與一次氣體再循環(huán)流28 —起從煙道氣26分出，但本發(fā)明在該方面不受限制，這是因?yàn)槎螝怏w再循環(huán)流35、36、37和38可分別在圖1中顯示的位置
2、3、4和/或5處從煙道氣20分出，而不偏離本發(fā)明的較寬泛方面。
[0020]燃氧耦合燃燒和再循環(huán)系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例在圖2中描繪，并且類(lèi)似于圖1中顯示的燃氧系統(tǒng)10，從而對(duì)相同元件提供前面加I的相同元件標(biāo)記。
[0021]參照?qǐng)D2，另一個(gè)燃氧耦合燃燒和再循環(huán)系統(tǒng)大體由附圖標(biāo)記100表示，在下文被稱(chēng)為燃氧系統(tǒng)100，并且包括燃氧爐112，燃氧爐112具有切向燃燒系統(tǒng)，諸如切向燃燒鍋爐140。燃料116從燃料源115傳送到鍋爐140。空氣分離單元150從進(jìn)入空氣流152提取氧，或者直接從大氣提取氧，并且排出第一氧化劑流118、第二氧化劑流137和氮流154。第一氧化劑流118的部分118A可與燃料116 —起傳送到鍋爐140。備選地，燃料氧化劑117可傳送到燃料源115，并且隨后與燃料116 —起傳送到鍋爐140?？梢钥蛇x地從第一氧化劑流118提取燃料氧化劑117，作為從空氣分離單元150提取的或獲得自另一個(gè)氧源(未顯示)的第三氧化劑流。第一氧化劑流118從空氣分離單元150傳送，并且驅(qū)動(dòng)噴射器155。第一富氧流131從噴射器155傳送到鍋爐140，用于燃燒燃料116。
[0022]煙道氣120傳送通過(guò)第一熱交換單元160，并且隨后傳送通過(guò)一個(gè)或更多個(gè)煙道氣處理單元。這樣的煙道氣處理單元可包括(但不限于)AQCS 170的一個(gè)或更多個(gè)單元，用于控制煙道氣120和氣體處理單元190的顆粒和/或從煙道氣120和氣體處理單元190移除顆粒。第一或一次氣體再循環(huán)流129從煙道氣120提取，并且優(yōu)選地傳送到噴射器155，其中，一次氣體再循環(huán)流129與第一氧化劑流118混合，并且產(chǎn)生第一富氧流131，第一富氧流131從噴射器155傳送到鍋爐140。取決于動(dòng)力裝置的布置，可利用多個(gè)噴射器155，并且可將多個(gè)富氧流131傳送到鍋爐140中。雖然噴射器155描述為被第一氧化劑流118驅(qū)動(dòng)，但本發(fā)明在該方面不受限制，這是因?yàn)閲娚淦?55可被其它流動(dòng)流(諸如例如，第一氣體再循環(huán)流129或預(yù)混合燃料/空氣混合物)驅(qū)動(dòng)，而不偏離本發(fā)明的較寬泛方面。
[0023]從AQCS單元170排出的煙道氣120傳送到氣體處理單元190，主要是為了進(jìn)行碳捕捉和存儲(chǔ)，使得阻止CO2排放流192釋放到大氣中。還從系統(tǒng)排放流分離出惰性物質(zhì)193。第二氣體再循環(huán)流130提取自從AQCS單元170排出的煙道氣120，并且傳送到鍋爐140。在一個(gè)實(shí)施例中，第二富氧流132提供用于燃燒鍋爐140中的燃料116，并且第二富氧流132包括補(bǔ)充氧，該補(bǔ)充氧從由空氣分離單元150提供的、與第二氣體再循環(huán)流130混合的第二氧化劑流137提取。因此，在燃氧系統(tǒng)100中，典型的燃燒空氣被第一富氧流131和第二富氧流132的混合物取代。這種混合物產(chǎn)生CO2含量高的煙道氣流出流，其可被更簡(jiǎn)單地處理用于封存或高純度產(chǎn)物。
[0024]可對(duì)燃燒空氣或傳送到鍋爐40的氧化劑流中的氧濃度施行一些限制。例如，富氧流29可在氧含量方面局限于空氣的大約21%氧含量的范圍，以避免燃料16過(guò)早燃燒的問(wèn)題。在燃燒系統(tǒng) 或具有預(yù)混合氣體噴燃器的鍋爐中，這種過(guò)早燃燒通常被稱(chēng)為逆燃。如果傳送到鍋爐40的燃燒氧化劑的氧含量超過(guò)空氣的大約21%氧含量的范圍，則燃氧系統(tǒng)10可要求用較昂貴的、適于氧含量較高的較高級(jí)別的材料來(lái)制造一個(gè)或更多個(gè)管道和其它系統(tǒng)構(gòu)件。對(duì)于與有利的燃燒氧化劑條件有關(guān)的溫度(例如，在大約200 0F -900 °?的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)的管道或其它系統(tǒng)構(gòu)件)，燃燒空氣或燃燒氧化劑的總氧含量的優(yōu)選鍋爐材料設(shè)計(jì)限制為大約23.5%。23.5%的設(shè)計(jì)限制限定富氧環(huán)境，并且必須特別小心不燒傷管道、風(fēng)箱和爐的其它構(gòu)件的金屬材料。為了在含氧燃料燃燒期間保持與最佳燃燒空氣燃燒熱性能相似的熱傳遞性能，其中，燃燒空氣由富氧流中的一個(gè)或更多個(gè)取代，在大約28%的范圍中的整體氧化劑濃度是優(yōu)選的。整體氧化劑濃度指的是進(jìn)入爐的氣體的整個(gè)混合物，并且實(shí)際上可不是任何單個(gè)流的濃度。在大約28%的氧濃度下，第一氧流18和一次氣體再循環(huán)流28或第一富氧流29產(chǎn)生具有與空氣燃燒相似的熱傳遞分布的混合物，包括相似的爐溫度分布和氣體速度。因此，可得到近似20%的化學(xué)計(jì)量氧作為補(bǔ)充氧，以使傳送到鍋爐中的選擇流富裕。這種補(bǔ)充氧可包括用于燃燒的氧，其由于由碳鋼制成的管道系統(tǒng)和處理裝備的材料限制而必須與大量氧化劑流分開(kāi)添加。
[0025]在一個(gè)實(shí)施例中，并且如圖3中顯示的，鍋爐40包括燃氧爐，該燃氧爐具有多個(gè)壁，在壁內(nèi)包括有燃燒區(qū)域或燃燒室41，切向燃燒系統(tǒng)42在燃燒區(qū)域或燃燒室41中維持燃燒。如下面參照對(duì)應(yīng)的圖進(jìn)一步描述的，鍋爐40包括能夠安裝在其上的至少一個(gè)風(fēng)箱43，至少一個(gè)風(fēng)箱43在其中包括至少一個(gè)主要燃燒位置。至少一個(gè)一次入口，例如燃料噴嘴44和/或一次偏移空氣噴嘴45，定位在主要燃燒位置，用于將燃料16和氧化劑(例如一次氣體再循環(huán)流28)運(yùn)送到鍋爐40中。至少一個(gè)二次入口，例如二次偏移空氣噴嘴46，定位在主要燃燒位置，用于將氧化劑(例如二次氣體再循環(huán)流30)運(yùn)送到鍋爐40中。二次入口與一次入口有角地偏移。至少一個(gè)燃燼位置定位在主要燃燒位置下游，并且至少一個(gè)第三入口(例如燃燼空氣端口 48)定位在燃燼位置，用于將氧化劑(例如分離的燃燼空氣48A)運(yùn)送到鍋爐40中。至少一個(gè)中間入口(例如中壁氧化劑端口 47A)與一次入口和二次入口沿側(cè)向偏移。一次入口可定位成與二次入口沿對(duì)角相對(duì)。一次入口和二次入口可為拐角入口。
[0026]一次入口中的各個(gè)限定內(nèi)圓的第一切線(xiàn)，并且至少一個(gè)二次入口中的各個(gè)限定第二圓的第二切線(xiàn)，其中，第二圓大于內(nèi)圓。中間入口中的各個(gè)限定外圓的第三切線(xiàn)，外圓大于第二圓。第一圓、第二圓和/或第三圓可為同心的。一次入口優(yōu)選定位成相對(duì)于在主要燃燒位置的基準(zhǔn)平面處于第一噴射角阿爾法U)，而二次入口優(yōu)選定位成處于第二噴射角貝塔(β)，第二噴射角貝塔(β)與第一噴射角阿爾法(α)有偏移。一次入口和二次入口構(gòu)造成使燃氧爐的總爐壁區(qū)域的一部分減少到小于總爐壁區(qū)域的1.5%，該燃氧爐在總爐壁區(qū)域的該部分附近具有大于6%摩爾分?jǐn)?shù)的高一氧化碳濃度的區(qū)域。
[0027]如圖4中顯示的，鍋爐包括切向風(fēng)箱43，切向風(fēng)箱43具有一個(gè)或更多個(gè)切向通道43Α，通過(guò)切向通道43Α，典型地在壓力下供應(yīng)空氣和/或氧化劑，用于燃燒燃料16。雖然圖4中顯示了僅一個(gè)切向通道43Α，但切向風(fēng)箱43典型地包括多個(gè)這樣的切向通道43Α，多個(gè)這樣的切向通道43Α包圍鍋爐40，或者至少包圍鍋爐40的燃燒室41。例如，燃燒室41具有基本上豎直且長(zhǎng)方形的殼體，或者封罩典型地包括切向風(fēng)箱43，切向風(fēng)箱43具有四個(gè)基本上豎直的切向通道，一個(gè)定位在各個(gè)拐角處，通過(guò)該四個(gè)基本上豎直的切向通道供應(yīng)空氣和/或氧化劑流，用于燃燒燃料16。這種燃燒礦物燃料的燃燒系統(tǒng)形成2001年5月20日公布的名稱(chēng)為“Corner Windbox Overfire Air Compartment for a Fossil Fuel-FiredFurnace”的美國(guó)專(zhuān)利N0.6，202, 575的主題,該專(zhuān)利轉(zhuǎn)讓給與本專(zhuān)利申請(qǐng)相同的受讓人，并且整體地結(jié)合在本文中。
[0028]參照?qǐng)D3和圖4，切向燃燒系統(tǒng)42包括一個(gè)或更多個(gè)燃料噴嘴44和一個(gè)或更多個(gè)一次偏移空氣噴嘴45，它們通過(guò)風(fēng)箱43分別將燃料流44A和一次氧化劑和/或燃料氧化劑流45A噴射到燃燒室41中，并且與限定在鍋爐40內(nèi)的第一圓40A相切。切向燃燒系統(tǒng)42還包括一個(gè)或更多個(gè)二次偏移空氣噴嘴46，一個(gè)或更多個(gè)二次偏移空氣噴嘴46通過(guò)風(fēng)箱43將輔助偏移二次氧化劑46A噴射到燃燒室41中，并且與限定在鍋爐40內(nèi)的第二圓40B相切。另外，切向燃燒系統(tǒng)42包括一個(gè)或更多個(gè)中壁空氣噴嘴47, —個(gè)或更多個(gè)中壁空氣噴嘴47將第三氧化劑流、中壁氧化劑47A噴射到燃燒室41中，并且與限定在鍋爐40內(nèi)的第三圓40C相切。在圖4中顯示的實(shí)施例中，第一圓40A限定直徑Dl，第二圓40B限定直徑D2，并且第三圓40C限定直徑D3，并且其中，DKD2并且D2〈D3。
[0029]同心燃燒系統(tǒng)(“CFS”)由位于風(fēng)箱43中的一個(gè)或更多個(gè)CFS隔室限定，并且提供用于與燃料流44A和一次氧化劑和/或燃料氧化劑流45A(與第一圓40A相切)偏移地噴射輔助偏移二次氧化劑46A(與第二圓40B相切)。如圖3中顯示的，燃料流44A和一次氧化劑和/或燃料氧化劑流45A大體在由高度Hl和高度H2之間的高度限定的高度H3的范圍內(nèi)噴射到燃燒室41中。通過(guò)形成于切向風(fēng)箱43中的一個(gè)或更多個(gè)緊密耦合式燃燼空氣(“CC0FA”)隔室46來(lái)噴射輔助偏移二次氧化劑46A。CCOFA隔室46在頂部高度H2上方位于切向風(fēng)箱43中，在頂部高度H2處，燃料流44A和一次氧化劑和/或燃料氧化劑流45A噴射到燃燒室41中。
[0030]如圖4中顯示的，燃料流44A和一次氧化劑和/或燃料氧化劑流45A以第一噴射角阿爾法(α)噴射到燃燒室41中。通過(guò)位于切向風(fēng)箱43中的CFS隔室以第二噴射角貝塔(β)噴射輔助偏移二次氧化劑46Α，第二噴射角貝塔(β)與第一噴射角阿爾法(α)有偏移。第一噴射角阿爾法(α)和第二噴射角貝塔(β)之間的偏移沿著爐壁產(chǎn)生較多氧化性、較少還原性的環(huán)境，同時(shí)在爐的下部部分中保持整體還原性環(huán)境。使輔助偏移二次氧化劑富含氧加強(qiáng)對(duì)爐中的氧化性/還原性環(huán)境的影響，同時(shí)不中斷流型式和混合。以類(lèi)似地與燃料流44A和一次氧化劑和/或燃料氧化劑流45A的噴射速度和距離有偏差的第二噴射角和特定速度和距離將富氧輔助偏移二次氧化劑噴射到鍋爐中，沿著爐壁產(chǎn)生較多氧化性且較少還原性的環(huán)境，并且從而減少沿著爐壁的腐蝕。此外，用來(lái)使輔助偏移二次氧化劑富裕的額外的氧可對(duì)噴射器提供功率，該噴射器將混合氧和煙道氣流，并且提供進(jìn)入鍋爐的動(dòng)量較高的流。
[0031]中壁氧化劑47A包括富氧流，諸如富氧流32或132的一部分，并且通過(guò)位于燃燒室41的燃燒拐角之間的相應(yīng)的中壁氧化劑端口 47B處的中壁空氣噴嘴47噴射到燃燒室41中。中壁氧化劑47A的流的流徑穿過(guò)切向風(fēng)箱43，并且需要將新的穿孔安裝到爐或燃燒室41中。在一個(gè)實(shí)施例中，優(yōu)選形成于燃燒室41的第一對(duì)相對(duì)壁中的第一對(duì)中壁氧化劑端口 47B位于高度H3的范圍內(nèi)，在高度H3處，燃料流44A和一次氧化劑和/或燃料氧化劑流45A噴射到燃燒室41中。優(yōu)選形成于燃燒室41的第二對(duì)相對(duì)壁中的對(duì)應(yīng)的第二對(duì)中壁氧化劑端口 47B位于CCOFA隔室46的高度處或其上方?？瑟?dú)立地或以任何組合使用四個(gè)中壁氧化劑端口 47B。中壁氧化劑47A可包括純氧、通過(guò)使補(bǔ)充氧與二次氧化劑混合而富含氧的流，或通過(guò)使補(bǔ)充氧與煙道氣再循環(huán)流混合而富含氧的流，如上面參照富氧流32和132所描述的。中壁氧化劑47A的混合可由多種混合器件中的任一個(gè)(諸如例如擴(kuò)散器、噴槍或噴射器)提供。
[0032]可對(duì)新型且改型的燃氧的燃燒粉碎燃料的工具和工業(yè)鍋爐提供燃氧系統(tǒng)10、100。燃氧系統(tǒng)10、100提供爐構(gòu)件的減少的腐蝕，這是因?yàn)橄鄬?duì)于傳統(tǒng)的含氧燃料燃燒，在下部爐中的爐壁附近的燃燒氣體中的氣體物質(zhì)不那么有腐蝕性。在燃氧系統(tǒng)10、100內(nèi)的加強(qiáng)爐混合提供更高效的爐燃燒。通過(guò)利用氧驅(qū)動(dòng)式噴射器，燃氧系統(tǒng)10、100還提供減少的NOx排放和較低的寄生功率消耗。
[0033]再次參照?qǐng)D3和圖4，存在在燃氧系統(tǒng)10的鍋爐40內(nèi)的、被標(biāo)識(shí)為富氧流32或132的適合噴射位置的至少四個(gè)位置?？蓡为?dú)地或以任何組合利用位置，這取決于燃燒系統(tǒng)、工藝構(gòu)造和燃料。四個(gè)位置包括(但不限于):(i)通過(guò)位于切向風(fēng)箱43中的CFS隔室，以與第一噴射角阿爾法(α)有偏移的第二噴射角貝塔(β)噴射的輔助偏移二次氧化劑46Α(圖4) ； (ii)通過(guò)形成于切向風(fēng)箱43中且位于燃燒室41上方的CCOFA隔室46而噴射的輔助偏移二次氧化劑46A(圖3) ； (iii)通過(guò)位于燃燒室41的燃燒拐角之間的中壁氧化劑端口 47B而噴射的中壁氧化劑47A(圖4);以及(iv)通過(guò)位于燃燒室41的燃燒拐角之間的中壁氧化劑端口 47C而噴射的中壁氧化劑47A(圖4)。
[0034]參照?qǐng)D3，被選來(lái)在燃氧系統(tǒng)10內(nèi)使用的鍋爐包括位于下部爐或燃燒室41中的一個(gè)或更多個(gè)噴燃器(未顯示)。水壁管(未顯示)襯在鍋爐40的內(nèi)部，并且包含在其中的水轉(zhuǎn)換成高壓蒸汽，該高壓蒸汽最終用來(lái)使渦輪(未顯示)旋轉(zhuǎn)。鍋爐40包括位于超過(guò)CCOFA隔室46的高度大約H5的高度的高度處的燃燼空氣(“0FA”)端口 48。由于燃料噴嘴44所噴射的燃料燃燒而產(chǎn)生的煙道氣20A從燃燒室41向上流到上部爐41A，其中，分離的OFA 48A通過(guò)OFA端口 48噴射，以完成燃燒過(guò)程。接著，煙道氣20B離開(kāi)鍋爐40，如上面參照?qǐng)D1所描述的。
[0035]被稱(chēng)為“燃燒側(cè)”的水壁管的面向燃燒室41的側(cè)部在出現(xiàn)燃料燃燒不完全時(shí)，特別是在燃煤鍋爐(諸如鍋爐40)中，展示腐蝕。在風(fēng)箱43或燃燒室41中常常發(fā)現(xiàn)這種水壁燃燒側(cè)腐蝕。完全和不完全燃燒的一些產(chǎn)物的存在(特別是還原性環(huán)境中的包含硫和氯的氣體物質(zhì))有助于水壁腐蝕和損耗，從而縮短燃氧系統(tǒng)10的使用壽命。通過(guò)沿切向?qū)⑤o助偏移二次空氣46A噴射通過(guò)位于風(fēng)箱中的CFS隔室或CCOFA隔室來(lái)提高沿著燃燒室41中的爐壁的氧濃度導(dǎo)致更干凈的爐壁，并且減小水壁管中的渣化和腐蝕的影響。使用輔助偏移二次空氣46A還產(chǎn)生局部還原性環(huán)境，以最小化NOx形成的可能性。通過(guò)經(jīng)位于燃燒室41的燃燒拐角之間的中壁氧化劑端口 47B將中壁氧化劑47A噴射到燃燒室41中，這些優(yōu)點(diǎn)進(jìn)一步加強(qiáng)。
[0036]煙道氣20的組分典型地包括CO2、水蒸氣和少量02、N2，以及諸如S0x、N0x、C0和氯的污染物。在含氧燃料燃燒中，相對(duì)于燃燒空氣的燃燒，這些氣體物質(zhì)的濃度提高。在許多含氧燃料燃燒系統(tǒng)中，再循環(huán)煙道氣與幾乎純的氧流一起用作燃燒系統(tǒng)的氧化劑。如果煙道氣在返回到鍋爐之前未經(jīng)處理，則所有物質(zhì)(包括包含氣體物質(zhì)的硫和氯)的濃度將由于再循環(huán)而增加。在燃氧系統(tǒng)中需要相對(duì)于燃燒空氣的燃燒的較低的體積氧化劑流，以與熱性能匹配，這是由于氧化劑的相對(duì)于空氣的較高的熱容量和分子重量；但是，較低的體積氧化劑流使煙道氣流中的包含物質(zhì)的硫和氯的成分增加。對(duì)于硫或其它腐蝕性雜質(zhì)高的燃料，燃氧系統(tǒng)構(gòu)造優(yōu)選包括AQCS單元，用于在氧化劑再循環(huán)回到爐之前，移除硫和其它腐蝕性氣體物質(zhì)前體。使用AQCS單元來(lái)處理整個(gè)煙道氣流減少含氧燃料系統(tǒng)中的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；但是，這樣處理煙道氣流將導(dǎo)致較高的裝備、資金和運(yùn)行成本。
[0037]計(jì)算流體動(dòng)力(“CFD”)建模以及第15MW試驗(yàn)性測(cè)試驗(yàn)證了相對(duì)于大量二次氧化劑的富裕，富氧噴射策略沿著爐壁產(chǎn)生較多氧化性、較少還原性的氣體環(huán)境。試驗(yàn)性測(cè)試已進(jìn)一步驗(yàn)證了這樣的噴射策略減少爐NOx排放。在圖5中提供在第15麗試驗(yàn)性測(cè)試期間進(jìn)行的測(cè)試的爐NOx排放-噴燃器區(qū)分級(jí)的圖表。噴燃器區(qū)分級(jí)是用于燃燒燃料的氧化劑中可得到的氧相對(duì)于在噴燃器區(qū)(圖3的H2)中為了完全燃燒燃料所需的氧的化學(xué)計(jì)量比。在通往鍋爐的恒定總氧輸入下，隨著更多氧轉(zhuǎn)移到燃燼位置，噴燃器區(qū)化學(xué)計(jì)量比(stoichiometry)減小。噴燃器區(qū)化學(xué)計(jì)量比具有與NOx排放的強(qiáng)關(guān)系。圖5中標(biāo)繪的結(jié)果表明，相對(duì)于類(lèi)似噴燃器區(qū)分級(jí)處的基準(zhǔn)燃氧，大量二次氧化劑的富裕使?fàn)tNOx排放減少大約20%至大約30%。
[0038]在圖6A和6B中介紹CFD建模的結(jié)果。在圖6A中顯示在大量二次氧化劑富裕的情況下，基準(zhǔn)燃氧的爐壁CO濃度。在圖6B中顯示選擇性噴射策略結(jié)合了富氧的大量二次氧化劑的噴射位置。如上面標(biāo)識(shí)的，選擇的組合位置包括:(i)通過(guò)位于切向風(fēng)箱43中的CFS隔室，以第二噴射角貝塔(β )噴射的輔助偏移二次氧化劑46Α，第二噴射角貝塔(β )與第一噴射角阿爾法U )有偏移(圖4);以及(iv)通過(guò)位于燃燒室41的燃燒拐角之間的中壁氧化劑端口 47C而噴射的中壁氧化劑47A(圖4)。
[0039]如圖6A和6B中顯示的，燃氧爐212限定第一壁部分212A(例如一個(gè)側(cè)壁)、第二壁部分212B (例如前壁)、第三壁部分212 (例如另一個(gè)側(cè)壁)和第四壁部分212D(例如后壁)。在壁部分212A-212D中的各個(gè)上描繪的圖像表示在相應(yīng)的壁部分212A-212D附近的位置處檢測(cè)到的一氧化碳的濃度。用交叉影線(xiàn)描繪的圖6A的圖像213和圖6B的圖像214表示在相應(yīng)的壁部分212A-212D附近的位置處檢測(cè)到的大于大約6%摩爾分?jǐn)?shù)的一氧化碳的濃度。在圖6A和6B中用白色描繪的相應(yīng)的壁部分212A-212D的區(qū)域，或者其上未描繪圖像的區(qū)域，表示在這種位置處檢測(cè)到的小于大約3%摩爾分?jǐn)?shù)的一氧化碳的濃度。如圖6B中顯示的，組合選擇噴射策略提供具有大于6%摩爾分?jǐn)?shù)的高一氧化碳濃度的區(qū)域的總?cè)佳鯛t壁區(qū)域(部分212A-212D)的部分減少到小于總爐壁區(qū)域的1.5%。
[0040]圖7提供使用圖6A和6B中顯示的相同基準(zhǔn)和噴射策略所獲得的所得測(cè)量結(jié)果。圖7中介紹的試驗(yàn)性測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了 CFD建模，并且證實(shí)了相對(duì)于大量二次氧化劑的富裕，富氧噴射策略沿著爐壁產(chǎn)生較多氧化性、較少還原性的氣體環(huán)境。
[0041]雖然已經(jīng)參照各種示例性實(shí)施例來(lái)描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可作出各種改變，并且等效物可代替本發(fā)明的元件，而不偏離本發(fā)明的范圍。另外，可在不偏離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍的情況下作出許多修改，以使具體情況或內(nèi)容適于本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，意圖的是本發(fā)明不限于被公開(kāi)為為了執(zhí)行本發(fā)明而構(gòu)想的最佳模式的特定實(shí)施例，本發(fā)明而是將包括落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種用于燃氧爐的燃燒系統(tǒng)，所述燃燒系統(tǒng)包括: 能夠安裝在所述燃氧爐上的至少一個(gè)風(fēng)箱； 所述至少一個(gè)風(fēng)箱包括至少一個(gè)主要燃燒位置； 定位在所述至少一個(gè)主要燃燒位置的至少一個(gè)一次入口，其用于將燃料和第一氧化劑運(yùn)送到所述燃氧爐中；以及 定位在所述至少一個(gè)主要燃燒位置的至少一個(gè)二次入口，其用于將第二氧化劑運(yùn)送到所述燃氧爐中，所述至少一個(gè)二次入口與所述至少一個(gè)一次入口有角地偏移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括: 定位在所述至少一個(gè)主要燃燒位置下游的至少一個(gè)燃燼位置；以及 定位在所述燃燼位置的至少一個(gè)第三入口，其用于將第三氧化劑運(yùn)送到所述燃氧爐中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括與所述一次入口沿側(cè)向偏移的至少一個(gè)中間入口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)一次入口定位成與所述至少一個(gè)二次入口沿對(duì)角相對(duì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)一次入口和所述至少一個(gè)二次入口是拐角入口。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于: 所述至少一個(gè)一次入口中的各個(gè)限定內(nèi)圓的第一切線(xiàn)；并且 所述至少一個(gè)二次入口中的各個(gè)限定第二圓的第二切線(xiàn)，所述第二圓大于所述內(nèi)圓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述第一圓和所述第二圓是同心的。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于: 所述至少一個(gè)一次入口中的各個(gè)限定內(nèi)圓的第一切線(xiàn)； 所述至少一個(gè)二次入口中的各個(gè)限定第二圓的第二切線(xiàn)，所述第二圓大于所述內(nèi)圓；并且 所述至少一個(gè)中間入口中的各個(gè)限定外圓的第三切線(xiàn)，所述外圓大于所述第二圓。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述第一圓、所述第二圓和所述第三圓是同心的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃燒系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)一次入口和所述至少一個(gè)二次入口構(gòu)造成使所述燃氧爐的總爐壁區(qū)域的一部分減少為小于所述總爐壁區(qū)域的1.5%，所述燃氧爐在所述總爐壁區(qū)域的部分附近具有大于6%摩爾分?jǐn)?shù)的高一氧化碳濃度的區(qū)域。
11.一種燃氧系統(tǒng)，包括: 切向燃燒燃氧爐，包括至少一個(gè)壁； 用于將燃料運(yùn)送到所述燃氧爐的燃料源； 用于產(chǎn)生第一氧化劑流的氧化劑源； 從所述煙道氣提取的一次氣體再循環(huán)流，其富含從所述第一氧化劑流提取的氧，并且作為第一富氧流被傳送到所述燃氧爐； 從所述煙道氣提取的二次氣體再循環(huán)流，其富含從所述第一氧化劑流提取的氧，并且作為第二富氧流被傳送到所述燃氧爐；以及 用于所述燃氧爐的燃燒系統(tǒng)，所述燃燒系統(tǒng)包括: 能夠安裝在所述燃氧爐上的至少一個(gè)風(fēng)箱； 所述至少一個(gè)風(fēng)箱包括至少一個(gè)主要燃燒位置； 定位在所述至少一個(gè)主要燃燒位置的至少一個(gè)一次入口，其用于將燃料和第一氧化劑運(yùn)送到所述燃氧爐中；以及 定位在所述至少一個(gè)主要燃燒位置的至少一個(gè)二次入口，其用于將第二氧化劑運(yùn)送到所述燃氧爐中，所述至少一個(gè)二次入口與所述至少一個(gè)一次入口有角地偏移。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃氧系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括: 定位在所述至少一個(gè)主要燃燒位置下游的至少一個(gè)燃燼位置；以及 定位在所述燃燼位置的至少一個(gè)第三入口，其用于將氧化劑運(yùn)送到所述燃氧爐中。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃氧系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括與所述一次入口沿側(cè)向偏移的至少一個(gè)中間入口。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃氧系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)一次入口定位成與所述至少一個(gè)二次入口沿對(duì)角相對(duì)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃氧系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)一次入口和所述至少一個(gè)二次入口是拐角入口。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃氧系統(tǒng)，其特征在于: 所述至少一個(gè)一次入口中的各個(gè)限定內(nèi)圓的第一切線(xiàn)；并且 所述至少一個(gè)二次入口中的各個(gè)限定第二圓的第二切線(xiàn)，所述第二圓大于所述內(nèi)圓。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的燃氧系統(tǒng)，其特征在于，所述第一圓和所述第二圓是同心的。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃氧系統(tǒng)，其特征在于: 所述至少一個(gè)一次入口中的各個(gè)限定內(nèi)圓的第一切線(xiàn)； 所述至少一個(gè)二次入口中的各個(gè)限定第二圓的第二切線(xiàn)，所述第二圓大于所述內(nèi)圓；并且 所述至少一個(gè)中間入口中的各個(gè)限定外圓的第三切線(xiàn)，所述外圓大于所述第二圓。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃氧系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)一次入口和所述至少一個(gè)二次入口構(gòu)造成使所述燃氧爐的總爐壁區(qū)域的一部分減少為小于所述總爐壁區(qū)域的1.5%，所述燃氧爐在所述總爐壁區(qū)域的部分附近具有大于6%摩爾分?jǐn)?shù)的高一氧化碳濃度的區(qū)域。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃氧系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括由從所述煙道氣提取的所述第一氧化劑流和所述一次氣體再循環(huán)流中的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)的至少一個(gè)噴射器。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的燃氧系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)噴射器混合從所述煙道氣提取的所述第一氧化劑流和所述一次氣體再循環(huán)流，以提供從所述噴射器傳送到所述燃氧爐的所述第一富氧流。
22.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃氧系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括用于從所述煙道氣移除顆粒的至少一個(gè)煙道氣處理單元。
【文檔編號(hào)】F23C7/06GK103968374SQ201410039500
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年1月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月28日
【發(fā)明者】J.R.肯尼, Y.陳, A.勒瓦索伊爾, P.J.查普曼 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司