專利名稱：運(yùn)行燃燒系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明主要涉及運(yùn)行燃燒系統(tǒng)，更具體地涉及運(yùn)行燃燒系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)，以有利于減少NOx排放。
典型的鍋爐、爐、發(fā)動(dòng)機(jī)、焚化爐和其它燃燒源排放包括氮氧化物的廢氣。氮氧化物包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和氧化亞氮(N2O)。NOx通常指NO+NO2的總濃度。通過(guò)燃燒產(chǎn)生的氮氧化物主要是NO。同時(shí)也會(huì)形成一些NO2和N2O，但是它們的濃度一般小于NO濃度的約5％，對(duì)于燃煤應(yīng)用，NO2和N2O濃度一般為200-1000ppm。由于氮氧化物被認(rèn)為是有毒化合物以及酸雨和光化學(xué)煙霧的前體物，并且對(duì)溫室效應(yīng)有貢獻(xiàn)，因此其排放越來(lái)越受到關(guān)注。
已經(jīng)有一些商業(yè)技術(shù)可以用于減少燃燒源的NOx排放。目前，選擇性催化還原(SCR)是一種經(jīng)常用于控制NOx的商業(yè)技術(shù)。通過(guò)SCR，NOx通過(guò)與氮還原劑(N-試劑，例如氨、尿素等)在催化劑表面發(fā)生反應(yīng)而減少。已知SCR系統(tǒng)在約700°F的溫度下工作，其常規(guī)能達(dá)到約80％的NOx去除率。然而，一些SCR固有的缺點(diǎn)，還有最重要的是它的高成本使其不能成為全面解決NOx去除問(wèn)題的方法。此外，SCR要求在排氣流中安裝大量的催化劑，而SCR催化劑的壽命是有限的。具體地說(shuō)，對(duì)于燃煤應(yīng)用，一些機(jī)制導(dǎo)致的催化劑失活通常限制催化劑壽命為約4年。與系統(tǒng)改造、安裝和運(yùn)行相關(guān)的成本聯(lián)合催化劑材料的成本使得SCR成為非常昂貴的污染控制技術(shù)。而且，因?yàn)槭У拇呋瘎┦怯卸镜?，所以催化劑在其使用壽命后期也提出了處理?wèn)題。
為了有利地降低相對(duì)SCR技術(shù)的成本，N-試劑與NOx的反應(yīng)可以在較高的溫度下不用催化劑進(jìn)行。該工藝被稱為選擇性非催化還原(SNCR)。SNCR在窄的溫度或者在以1800°F為中心的“溫度窗口”范圍內(nèi)有效，其中N-試劑形成可以與NO反應(yīng)的NHi自由基。在理想實(shí)驗(yàn)室條件下，大幅度控制NOx是可能的；然而，在實(shí)際的滿量程裝置中，溫度分布不均勻、在整個(gè)燃燒器的橫切面混合N-試劑的難度、有限的反應(yīng)停留時(shí)間、以及氨(未反應(yīng)的N-試劑)的減少會(huì)限制SNCR的效力。通常，通過(guò)SNCR控制NOx的效率限制在約40％-50％。然而，由于SNCR不需要催化劑，因此與SCR相比其具有相對(duì)較低的建設(shè)成本。對(duì)于NOx控制來(lái)說(shuō)，與SCR相比，SCNR雖然具有較低NOx控制效率但也還是頗有價(jià)值的選擇。
其它公知燃燒系統(tǒng)包括的燃燒改造例如低NOx燃燒器(LNB)、再燃燒以及通過(guò)分段燃燒控制NOx排放的二次空氣(over-fireair)(OFA)注入。這些技術(shù)提供了相對(duì)適度的NOx控制，其效率在約30％-60％。然而，它們的建設(shè)成本很低，并且由于不需要注入N-試劑，與SCR或SNCR相比它們的運(yùn)行成本通常降低了。再燃燒中的NOx控制通過(guò)燃料分段實(shí)現(xiàn)，其中大部分燃料例如約80％-90％通過(guò)傳統(tǒng)燃燒爐和常量例如約過(guò)量10％的空氣燃燒。在燃燒過(guò)程中形成一定量的NOx，在第二階段，剩余的燃料(再燃燒燃料)被加入被稱為再燃燒區(qū)的第二燃燒區(qū)，以維持富燃料環(huán)境。所述再燃燒燃料可以是煤、燃?xì)饣蚱渌剂稀Ｔ诟蝗剂蠀^(qū)的還原性氣氛中，NOx形成和NOx去除都發(fā)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在具體的條件范圍下(在再燃燒區(qū)中的當(dāng)量比、溫度和停留時(shí)間)，NOx濃度通常減少約50％-60％。部分再燃燒燃料被氧氣很快氧化形成CO和氫氣，余下的再燃燒燃料提供了富燃料混合物，該混合物具有一定濃度的含碳自由基CH3，CH2，CH，C，HCCO等。這些活性物種可以在與氮分子反應(yīng)中形成NO前體物，或者通過(guò)與NO直接反應(yīng)而消耗NO。NO還原包括一些基元反應(yīng)步驟。在再燃燒區(qū)形成的含碳自由基(CHi)能通過(guò)將NO轉(zhuǎn)化為不同的具有C-N鍵的過(guò)渡物種而降低NO濃度。這些物種接著被轉(zhuǎn)化為NHi物種(NH2，NH和N)，這些物種后來(lái)與NO反應(yīng)，形成氮分子。因此，NO可以通過(guò)與兩類自由基也就是物種CHi和NHi的反應(yīng)而去除。然而，過(guò)渡含N物種與NO的反應(yīng)在無(wú)O2條件下通常很慢，不能顯著地減少再燃燒區(qū)的NO。在第三階段注入OFA使燃料完全燃燒。通常OFA從煙道氣溫度為約1800°F-2800°F的位置注入，從而有利于實(shí)現(xiàn)完全燃燒。位于二次空氣注入點(diǎn)的煙道氣溫度在下文以TOFA表示。在工藝的最后一階段加入的OFA氧化剩余的CO、H2、HCN、NHi物種以及未反應(yīng)的燃料和燃料碎片，形成的最終產(chǎn)物包括H2O、N2和CO2。在這一階段，還原的含N物種主要與氧氣反應(yīng)，被氧化為元素氮或NOx。正是這不期望的含N物種轉(zhuǎn)化為NOx的氧化反應(yīng)限制了再燃燒過(guò)程的效率。
通常，再燃燒燃料以約2300°F-3000°F的煙道氣溫度被注入。在再燃燒法中NOx還原效率可以隨著注入溫度的增加而增加，這是因?yàn)闇囟仍礁撸偃紵剂涎趸娇?，這導(dǎo)致了更高濃度的含碳自由基參與NOx還原。因?yàn)樵偃紵剂蠠彷斎霝榧s20％，NOx還原效率隨著再燃燒燃料量的增加而增加。而隨著再燃燒燃料量的進(jìn)一步增加，NOx還原效率趨于平緩甚至稍微降低。依據(jù)對(duì)再燃燒化學(xué)反應(yīng)地進(jìn)行提供更多的時(shí)間，增加在再燃燒區(qū)的停留時(shí)間也可以提高氮氧化物排放中的還原反應(yīng)。
最后，一種高級(jí)再燃燒(AR)方法也是目前可用的，其是再燃燒和SNCR的協(xié)同綜合。利用AR，N-試劑隨著OFA被注入，調(diào)整再燃燒系統(tǒng)以有利于優(yōu)化NOx與N-試劑的還原反應(yīng)。通過(guò)調(diào)整再燃燒燃料注入速率實(shí)現(xiàn)近似按化學(xué)計(jì)量所需的條件替代通常用于再燃燒的富燃料條件，CO水平可以容易的被控制，并且有效SNCR化學(xué)的溫度窗口可以被拓寬。通過(guò)AR，由N-試劑注入實(shí)現(xiàn)的NOx還原與SNCR相比幾乎翻倍。此外，通過(guò)AR，拓寬溫度窗口可以在布置注入系統(tǒng)方面的機(jī)動(dòng)性，并且在較寬的鍋爐運(yùn)行范圍內(nèi)應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)NOx控制。
然而，盡管上述的技術(shù)已經(jīng)可用，而且可以降低燃燒源的NOx濃度，但是它們是復(fù)雜的系統(tǒng)，安裝、運(yùn)行和維護(hù)也比較昂貴。
發(fā)明簡(jiǎn)述在一個(gè)實(shí)施方案中，提供了用于減少燃燒煙道氣中的氮氧化物的方法。該方法包括在主燃燒區(qū)燃燒燃料，這樣產(chǎn)生了燃燒煙道氣流，其中所述燃燒煙道氣包括至少一種氮氧化物，建立富燃料區(qū)，在該富燃料區(qū)形成許多還原的含N物種，將二次空氣注入富燃料區(qū)的燃燒煙道氣下游，控制工藝參數(shù)以提供用于所述還原的含N物種與OFA區(qū)中的氮氧化物反應(yīng)的條件，從而生成元素氮，這樣降低了氮氧化物的濃度。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，提供了具有還原的NOx排放的爐。該爐包括用于燃燒燃料的主燃燒區(qū)，位于主燃燒區(qū)下游的富燃料區(qū)，至少一個(gè)用于將二次空氣注入位于分別的OFA區(qū)的燃燒煙道氣流的二次空氣入口，布置于主燃燒區(qū)和富燃料區(qū)的用于控制工藝條件的控制器，從而使當(dāng)燃燒煙道氣到達(dá)所述二次空氣區(qū)時(shí)還原的含N物種的摩爾濃度近似等于NOx的摩爾濃度。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是示例性發(fā)電鍋爐系統(tǒng)的示意圖；圖2是第二個(gè)示例性發(fā)電鍋爐系統(tǒng)的示意圖；圖3是又一個(gè)示側(cè)性發(fā)電鍋爐系統(tǒng)的示意圖；圖4是說(shuō)明按照?qǐng)D1示出實(shí)施方案的爐在運(yùn)行中其含N物種相對(duì)濃度的示例性曲線圖；圖5是說(shuō)明NO濃度的示例性曲線圖，所述NO濃度是利用按照?qǐng)D1示出的系統(tǒng)在二次空氣注入點(diǎn)的煙道氣溫度TOFA的函數(shù)；圖6是闡述TOFA對(duì)CO排放影響的示例性曲線圖；圖7是說(shuō)明位于氧化催化劑入口側(cè)和出口側(cè)的再燃燒熱輸入和CO濃度之間關(guān)系的曲線圖；以及圖8是燃盡區(qū)末端TOFA對(duì)NO、總固定氮(TFN)和CO的影響預(yù)測(cè)曲線圖。
發(fā)明詳述在這里術(shù)語(yǔ)“氮氧化物”和“NOx”可以互換使用，是指化學(xué)物種一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。其它氮的氧化物是公知的，例如N2O、N2O3、N2O4和N2O5，但是固定燃燒源并不大量的排放這些物種，而一些系統(tǒng)排放N2O的情況除外。因此，雖然術(shù)語(yǔ)“氮氧化物”可以較廣泛地包括所有的二元N-O化合物，但是在本發(fā)明中其特指NO和NO2(即NOx)物種。
圖1是包括爐12的示例性發(fā)電鍋爐系統(tǒng)10，所述爐12包括主燃燒區(qū)14、再燃燒區(qū)16和燃盡區(qū)18。主燃燒區(qū)14包括一個(gè)或多個(gè)燃料注射器和/或燃燒器20，所述燃燒器由燃料源(未示出)以預(yù)定的和經(jīng)選擇量的燃料22供給。在示例性的實(shí)施方案中，所述燃料源可以是例如煤研磨機(jī)和排氣裝置。在另一個(gè)實(shí)施方案中，所述燃料源可以是任何石化燃料，包括石油和天然氣，或任何可再生燃料包括生物和垃圾。燃燒器20也可以由預(yù)定的和選擇量的空氣24供給。燃燒器20可以無(wú)關(guān)地布置在爐12的每個(gè)角落，或?yàn)楸谌紵降模蚓哂衅渌贾谩?br> 再燃燒區(qū)16可以由預(yù)定的和選擇量的燃料26供給。盡管圖1說(shuō)明了燃料22和燃料26來(lái)源于普通源，應(yīng)該理解燃料22和/或燃料26可以是由不同源供給的不同類型燃料。例如，供給至燃燒器20的燃料可以是由研磨機(jī)和排氣裝置供給的粉煤，燃料26可以是天然氣。二次空氣(OFA)可以通過(guò)OFA入口28由空氣源24或不同的源(未示出)供給。
在運(yùn)行中，包括氮的不同的氧化物(NOx)的燃燒副產(chǎn)物可以在主燃燒區(qū)14形成，并通過(guò)爐12載帶至爐排出煙氣30并完全進(jìn)入環(huán)境32。NOx排放的去除可以利用兩步的工藝來(lái)進(jìn)行，下文中被稱為現(xiàn)場(chǎng)高級(jí)再燃燒(AR)工藝。在工藝的第一步，再燃燒燃料26被注入再燃燒區(qū)16以提供富燃料環(huán)境，在富燃料環(huán)境中NOx部分被還原成N2。作為該工藝的結(jié)果，其它還原的含N物種包括NH3和HCN在再燃燒區(qū)16形成。形成的大量還原的含N物種取決于燃燒區(qū)14和再燃燒區(qū)16的工藝條件，還取決于主要燃料22和再燃燒燃料26的化學(xué)組成。為了有利于優(yōu)化NOx還原，利用所述現(xiàn)場(chǎng)AR工藝，可以選擇主燃燒區(qū)14和再燃燒區(qū)16的條件以使還原的含N物種的摩爾濃度大約等于在OFA注入點(diǎn)的NOx濃度。還原的含N物種如NH3、HCN和NO之間的反應(yīng)在再燃燒區(qū)16的富燃料環(huán)境下通常相對(duì)緩慢。在第二步，OFA可以注入再燃燒區(qū)16的下游。如果OFA被注入具有一定溫度范圍的含NO燃燒煙道氣中，NO和還原的含N物種之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，NO被轉(zhuǎn)化為氮分子。所述反應(yīng)由在燃燒自由基(OH、O和H)和NH3的反應(yīng)中形成NH2自由基開始，，和。
NO到N2轉(zhuǎn)化的主要基元反應(yīng)是。
同時(shí)，HCN被氧化成NH3和含N自由基，含N自由基接著與上述的燃燒自由基反應(yīng)。在傳統(tǒng)的SNCR工藝中，NH形成還原性試劑(N-試劑)和NO之間的反應(yīng)在很窄的溫度范圍內(nèi)(溫度窗口)進(jìn)行，通常為約1750°F-1950°F。在現(xiàn)場(chǎng)AR工藝中，在再燃燒區(qū)16中的再燃燒燃料26的氧化反應(yīng)不會(huì)完全進(jìn)行，這是因?yàn)槿狈捎玫难鯕?。因此，從再燃燒區(qū)16出來(lái)的燃燒煙道氣可以包含相對(duì)大濃度的未燃燒的碳?xì)洌鏗2和CO。這些物種存在于燃燒煙道氣中使傳統(tǒng)SNCR的NOx還原反應(yīng)的溫度窗口向低溫移動(dòng)。在現(xiàn)場(chǎng)AR工藝中，OFA以相對(duì)明顯低于1750°F的溫度被注入燃燒煙道氣中，這導(dǎo)致了相對(duì)大量額外的NOx還原。在OFA注入?yún)^(qū)下游，還原的含N物種主要與NOx反應(yīng)，產(chǎn)生元素氮。與傳統(tǒng)的再燃燒相比，如此較大幅度的NOx控制被實(shí)現(xiàn)了，其中還原的含N物種主要與OFA注入?yún)^(qū)下游的氧氣反應(yīng)。
圖2是第二個(gè)示例性發(fā)電鍋爐系統(tǒng)200的示意圖。在該示例性實(shí)施方案中，NO濃度通過(guò)三步工藝被降低。在第一步，再燃燒燃料26被注入以提供富燃料環(huán)境，其中NO部分還原為N2。在第二步，OFA被注入在預(yù)定溫度范圍內(nèi)的再燃燒區(qū)16下游，這導(dǎo)致在再燃燒區(qū)16中形成的含N物種還原NO。在第三步，包含CO、剩余NO和未反應(yīng)的含N物種的燃燒煙道氣被導(dǎo)入通過(guò)氧化催化劑202。CO被催化劑202氧化，而含N物種部分被氧化并部分被還原為N2。
圖3是另一個(gè)示例性發(fā)電鍋爐系統(tǒng)300的示意圖。該示例性實(shí)施方案提出空氣分段法，其中不注入再燃燒燃料，并且富燃料區(qū)通過(guò)主燃燒區(qū)14的富燃料燃燒形成。一個(gè)或多個(gè)附加的OFA口28可以在任何時(shí)候用來(lái)分步驟將OFA引入爐12中的匹配條件。每個(gè)附加OFA口28可以獨(dú)立控制，從而使OFA氣流可以在很寬的流量范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，以及調(diào)節(jié)至基本關(guān)閉。如在其它現(xiàn)場(chǎng)AR工藝的實(shí)施方案中，可以選擇條件以使在OFA注入點(diǎn)處大約滿足[NH3]+[HCN]＝[NOx]，以有利于優(yōu)化NOx去除。在示例性實(shí)施方案中，利用氧化催化劑202。在另一個(gè)實(shí)施方案中，沒有利用氧化催化劑。
圖4說(shuō)明按照?qǐng)D1示出實(shí)施方案的爐在運(yùn)行中其含N物種相對(duì)濃度的示例性曲線圖400。曲線圖400包括x軸402，其刻度單位為再燃燒燃料輸入占爐總熱輸入的百分比。y軸404刻度單位為XN/[NO]i的百分比，其中XN表示在再燃燒燃料注入前的含N物種的總濃度，[NO]i表示沒有注入再燃燒燃料時(shí)測(cè)得的初始NO濃度。曲線406表示NO的濃度。曲線408表示NH3的濃度。曲線410表示HCN的濃度，曲線412表示總固定氮(TFN)的濃度。在運(yùn)行中，當(dāng)燃燒天然氣時(shí)測(cè)量NO、NH3、HCN、TFN在爐12中的濃度。TFN，此處定義為NO、NH3和HCN的總量。在示例性的實(shí)施方案中，再燃燒燃料例如天然氣和OFA從煙道氣溫度為2500°F和2200°F的位置分別注入。在再燃燒區(qū)16的尾端測(cè)量NO、NH3和HCN的濃度(在OFA注入前)。曲線406、408、410和412說(shuō)明了在再燃燒燃料注入前NO、NH3、HCN和TFN占含N物種總濃度的分?jǐn)?shù)。作為CHi自由基和NO之間反應(yīng)的結(jié)果，NH3和HCN在再燃燒區(qū)16形成。
曲線406說(shuō)明再燃燒區(qū)16尾端的NO濃度與再燃燒燃料的相對(duì)熱輸入有關(guān)，其隨著再燃燒燃料的相對(duì)熱輸入增加而降低。對(duì)于所說(shuō)明的相對(duì)熱輸入范圍，考慮了再燃燒區(qū)16尾端的NH3濃度，即曲線408，和HCN濃度，即曲線410。再燃燒區(qū)16尾端的TFN濃度，即曲線412被最小化到了再燃燒燃料輸入的約18％。對(duì)于示例例性燃料和工藝條件以及18％的再燃燒燃料熱輸入，再燃燒區(qū)16尾端的NO濃度，即曲線406大約等于NH3和HCN濃度之和。
圖5說(shuō)明NO濃度的示例性曲線圖500，所述NO濃度是利用按照?qǐng)D1示出的系統(tǒng)10在二次空氣注入點(diǎn)的煙道氣溫度TOFA的函數(shù)。曲線圖500包括x軸502，其刻度單位為°F，y軸504刻度單位為NO還原百分?jǐn)?shù)。曲線506說(shuō)明在數(shù)量約為10％熱輸入的再燃燒燃料時(shí)NO的濃度。曲線508說(shuō)明在數(shù)量約為15％熱輸入的再燃燒燃料時(shí)NO的濃度。曲線510說(shuō)明在數(shù)量約為20％熱輸入的再燃燒燃料時(shí)NO的濃度。在示例性實(shí)施方案中，在0％的O2時(shí)NOi為310ppm。利用天然氣為主要燃燒燃料和再燃燒燃料。正如所說(shuō)明的，在每個(gè)示例性熱輸入中NO還原隨著TOFA的降低而增加。當(dāng)TOFA在2200°F-1600°F范圍下降時(shí)，NO還原的增加幾乎與TOFA呈線性。NO還原的這一改善可能是由于在再燃燒區(qū)16的停留時(shí)間的增加。進(jìn)一步溫度下降到低于1600°F導(dǎo)致NO還原效率相對(duì)更大的增加。對(duì)于在約1050°F-1150°F的TOFA下15％的再燃燒，NO還原達(dá)到約90％，對(duì)于在約1050°F-1150°F的TOFA下20％的再燃燒，NO還原達(dá)到約95％。
圖6說(shuō)明了證實(shí)TOFA下對(duì)CO排放的影響的示例性曲線圖600。曲線圖600包括x軸602，其刻度單位為°F，y軸604刻度單位為百萬(wàn)分之一(PPM)，其表示的是0％的O2時(shí)CO的濃度單位。曲線606說(shuō)明了在10％再燃燒熱輸入時(shí)CO的濃度。曲線608說(shuō)明了在15％再燃燒熱輸入時(shí)CO的濃度。曲線610說(shuō)明了在20％再燃燒熱輸入時(shí)CO的濃度。由曲線606、608和610說(shuō)明的CO排放在TOFA高于1350°F時(shí)小于15ppm，并且在較低溫度時(shí)急劇上升。所述CO濃度在相對(duì)低溫時(shí)的急劇上升可能是由于CO氧化的低溫化學(xué)反應(yīng)相對(duì)較慢，以使在OFA區(qū)CO沒有在一定可用時(shí)間內(nèi)完全氧化。因此，運(yùn)行證實(shí)在約1050°F-1150°F的OFA注入導(dǎo)致NO還原高達(dá)95％。然而，在該溫度范圍下的CO氧化可能不完全。
圖7是說(shuō)明位于氧化催化劑202入口側(cè)和出口側(cè)的再燃燒熱輸入和CO濃度之間關(guān)系的曲線圖700。曲線圖700包括x軸702，其被分為15％再燃燒部分704和20％再燃燒部分706，以及y軸708，其刻度為ppm，表示0％的O2時(shí)CO的濃度。位于催化劑位置的燃燒煙道氣溫度為約500°F。在約15％的再燃燒運(yùn)行中，柱710說(shuō)明催化劑202上游的CO濃度約為14000ppm，柱712說(shuō)明了當(dāng)燃燒煙道氣通過(guò)催化劑202后CO的濃度約為4500ppm。在約20％的再燃燒運(yùn)行中，柱714說(shuō)明催化劑202上游的CO濃度約為25000ppm，柱716說(shuō)明了當(dāng)燃燒煙道氣通過(guò)催化劑202后CO的濃度約為8500ppm。正如說(shuō)明的，CO在催化劑202上的氧化導(dǎo)致CO排放顯著減少了。通過(guò)降低通過(guò)催化劑的空速，可以實(shí)現(xiàn)更有效的CO氧化。
上述的結(jié)果說(shuō)明，大濃度的NH3和HCN可以存在于再燃燒區(qū)16。這些物種可以與NO反應(yīng)，并有利于基本減少NO排放。當(dāng)OFA以約1050°F-1750°F的燃燒煙道氣溫度被注入時(shí)，可以更好地降低NO濃度。因?yàn)樵谠摐囟确秶妮^低溫度下CO氧化不完全，安裝下游催化劑202可以有利于完全氧化CO。
圖8是TOFA對(duì)燃盡區(qū)18尾端NO、總固定氮(TFN)和CO的濃度影響預(yù)測(cè)曲線圖800。曲線圖800包括x軸802，其刻度表示OFA的注入溫度，以及y軸804，其刻度表示單位為ppm的試劑濃度。可以利用工藝模型來(lái)預(yù)測(cè)NOx控制效率。該工藝模型的開發(fā)包括詳盡的天然氣再燃燒動(dòng)力學(xué)機(jī)理以及以試劑混合為特征的氣體動(dòng)態(tài)參數(shù)。工藝模型有利于理解系統(tǒng)元件和條件對(duì)NOx控制實(shí)施的影響。在模型模擬中，集合一組代表活性物種的交互作用的均相反應(yīng)。為每個(gè)反應(yīng)分配一定的反應(yīng)速率和釋放熱或熱損失參數(shù)。大量的用于試劑的濃度對(duì)時(shí)間的微分方程數(shù)值解有利于預(yù)測(cè)用于所有反應(yīng)物種在選定工藝條件下的濃度-時(shí)間曲線。在模擬運(yùn)行中，可以獲得有利于顯著改善NOx去除的工藝條件。
化學(xué)動(dòng)力學(xué)代碼ODF，指“一維火焰(One Dimensional Flame)”(Kau，C.J.，Heap，M.P.，Seeker，W.R.，and Tyson，T.J.，F(xiàn)undamental Combustion Research Applied to PollutionFormation.U.S.Environmental Protection Agency Report No.EPA-6000/7-87-027，Volume IVEngineering Analysis，1987)，被用于模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)ODF以通過(guò)一系列完全攪拌的或活塞流式反映器，解決詳細(xì)的化學(xué)機(jī)制。動(dòng)力學(xué)機(jī)制(Glarborg，P.，Alzueta，M.U.，Dam-Johansen，K.，and Miller，J.A.，Combust.Flame1151-27(1998))包括了65種C-H-O-N化學(xué)物種的447種反應(yīng)利用模型預(yù)測(cè)天然氣再燃燒中的NOx還原，其為OFA注入處的煙道氣溫度(TOFA)的函數(shù)。初始NOx(NOi)和再燃燒燃料數(shù)量分別被假設(shè)為300ppm和18％。選擇這樣的再燃燒燃料的量用于模型模擬是因?yàn)?，如圖4所說(shuō)明的，在18％的再燃燒熱輸入下，再燃燒區(qū)16尾端的燃燒煙道氣中的NO濃度大約等于NH3和HCN的和。這導(dǎo)致了氮的化學(xué)計(jì)量比(NSR)為1.0。此處所用的NSR被定義為NH3+HCN對(duì)NO的摩爾比。在3％的OFA注入后實(shí)施最終額外O2的模擬，這是內(nèi)燃鍋爐的典型。燃燒煙道氣溫度以約550°F/s的線性速率下降，這對(duì)于內(nèi)燃鍋爐也是典型。
工藝模型輸出曲線圖800包括曲線806，其表示預(yù)測(cè)燃燒煙道氣中NO濃度隨著TOFA下降而下降。該NO還原可能是由于NO與NH3和HCN的反應(yīng)。這些反應(yīng)與在SNCR工藝中發(fā)生的反應(yīng)類似。用于SNCR工藝的優(yōu)化溫度約為1750°F-1950°F(煙道氣中沒有大量易燃物)，并且隨著煙道氣中的CO濃度升高而降低。在高于優(yōu)化溫度的溫度下，一些NH3和HCN可以被氧化，并且形成NO。在低于優(yōu)化溫度的溫度下，不是所有的NH3和HCN都在與NO和O2的反應(yīng)中被消耗，這導(dǎo)致“氨早產(chǎn)(ammonia slip)”。
曲線808說(shuō)明了在18％再燃燒燃料熱輸入時(shí)模型預(yù)測(cè)再燃燒區(qū)16尾端的煙道氣中的CO濃度約為2％。用于SNCR工藝對(duì)該CO濃度的優(yōu)化溫度為約1300°F-1400°F。曲線810的模型預(yù)測(cè)說(shuō)明了TFN在TOFA為約1350°F時(shí)達(dá)到最低。盡管NO進(jìn)一步在溫度低于約1350°F時(shí)連續(xù)減少，并不是所有的NH3和HCN都在該工藝中被消耗，這導(dǎo)致TFN的增加。
曲線808說(shuō)明模型預(yù)測(cè)在TOFA為約1350°F-1900°F時(shí)CO基本完全被氧化為CO2。燃燒煙道氣中的CO濃度隨著TOFA降低到約1350°F以下而增加。這可能是由于低溫CO氧化變得太慢，并且不能再燃盡區(qū)18可用時(shí)間內(nèi)基本完全氧化。
曲線810說(shuō)明模型預(yù)測(cè)大約1350°F的OFA注入導(dǎo)致TFN從300ppm減少到60ppm。在TOFA為約1350°F以及更高時(shí)CO基本完全被氧化。當(dāng)與經(jīng)驗(yàn)結(jié)果相比較時(shí)，曲線圖800種的模型結(jié)果呈現(xiàn)了緊密的相關(guān)性。
可以預(yù)期，在本發(fā)明的各種實(shí)施方案有利于生成所有的燃燒系統(tǒng)，比如，例如但是不局限于，加煤爐、流化床爐和氣旋爐。
上述氮氧化物還原方法和系統(tǒng)提供了低成本而且可靠的用于降低燃燒煙道氣排放中氮氧化物濃度的方法，該方法不需要向燃燒煙道氣流中注入N還原試劑。更具體地，經(jīng)驗(yàn)結(jié)果表明高濃度的NH3和HCN可以存在于再燃燒區(qū)域。如果OFA以約1050°F-1750°F的燃燒煙道氣溫度注入，NH3和HCN可以與NO反應(yīng)，并且顯著降低NO排放。因?yàn)镃O在該溫度范圍的較低溫度下的氧化不完全，安裝下游氧化催化劑可以完全氧化CO。因此，促進(jìn)含N試劑形成的控制工藝條件和以有利于NH3和NO合成形成N2的溫度注入OFA，這為減少氮氧化物排放提供了低成本的方法和系統(tǒng)。
盡管已經(jīng)用各種具體的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，那些本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，可以在權(quán)力要求的精神和范圍內(nèi)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改和實(shí)踐。
附圖標(biāo)記鍋爐系統(tǒng)10爐12主燃燒區(qū)14再燃燒區(qū)16燃盡區(qū)18燃料注入器和/或燃燒器20燃料22
空氣24燃料26二次空氣(OFA)口28爐煙道廢氣30環(huán)境32爐系統(tǒng)200催化劑202爐系統(tǒng)300曲線圖400x-軸402y-軸404曲線406曲線408曲線410曲線412曲線圖500x-軸502y-軸504曲線506曲線508曲線510曲線圖600x-軸602y-軸604曲線606曲線608曲線610曲線圖700x-軸702再燃燒部分706y-軸708
柱710柱712柱714柱716曲線圖800x-軸802y-軸804曲線806曲線808曲線810
權(quán)利要求
1.一種用于減少燃燒煙道氣中的氮氧化物的方法，所述方法包括在主燃燒區(qū)(14)燃燒燃料(22)，以生成燃燒煙道氣流，所述氣體包括至少一種氮氧化物；將再燃燒燃料加入到主燃燒區(qū)下游的燃燒煙道氣流，以建立富燃料區(qū)(16)；在富燃料區(qū)形成大量還原的含N物種；將二次空氣(24)流注入到燃燒煙道氣流，以在富燃料區(qū)下游形成二次空氣區(qū)；以及控制工藝參數(shù)以提供用于還原的含N物種與氮氧化物在二次空氣區(qū)反應(yīng)的條件，所述反應(yīng)產(chǎn)生元素氮，從而使氮氧化物濃度被減少。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中建立富燃料區(qū)包括在主燃燒區(qū)下游建立所述富燃料區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中建立富燃料區(qū)包括在主燃燒區(qū)內(nèi)建立富燃料區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將二次空氣注入所述燃燒煙道氣包括將二次空氣注入到處于廢氣溫度的燃燒煙道氣，所述廢氣溫度為約900°F-2800°F。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將二次空氣注入所述燃燒煙道氣包括將二次空氣注入到處于廢氣溫度的燃燒煙道氣，所述廢氣溫度為約1050°F-1750°F。
6.一種燃燒系統(tǒng)(10)，包括用于燃燒燃料(22)的主燃燒區(qū)(14)；位于相對(duì)所述主燃燒區(qū)下游的富燃料區(qū)(16)；至少一個(gè)二次空氣入口(28)，其用于將二次空氣(24)注入到位于各自的二次空氣區(qū)的燃燒煙道氣流；在主燃燒區(qū)和富燃料區(qū)布置控制器用于控制工藝條件，以使在燃燒煙道氣到達(dá)所述二次空氣區(qū)時(shí)，還原的含N物種的摩爾濃度約等于NOx的摩爾濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的燃燒系統(tǒng)，其中所述控制器布置在主燃燒區(qū)和富燃料區(qū)以控制工藝條件，以使在燃燒煙道氣到達(dá)二次空氣注入位置時(shí)，還原的含N物種的摩爾濃度與氮氧化物的摩爾濃度比為約0.8-1.2。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的燃燒系統(tǒng)，其中布置所述主燃燒區(qū)用于富燃料燃燒，以通過(guò)在所述主燃燒區(qū)的富燃料燃燒生成所述富燃料區(qū)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的燃燒系統(tǒng)，進(jìn)一步包括再燃燒區(qū)，其中將再燃燒燃料注入到所述燃燒煙道氣流以在所述主燃燒區(qū)下游產(chǎn)生富燃料區(qū)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的燃燒系統(tǒng)，其中所述控制器有利于控制至少一個(gè)二次空氣入口。
全文摘要
提供了用于減少燃燒煙道氣中的氮氧化物的方法和系統(tǒng)。該方法包括在主燃燒區(qū)(14)燃燒燃料(22)，以生成燃燒煙道氣流，其中所述燃燒煙道氣包括至少一種氮氧化物，建立富燃料區(qū)，在富燃料區(qū)形成大量還原的含N物種，將二次空氣注入到位于富燃料區(qū)下游的燃燒煙道氣，控制工藝參數(shù)以提供用于所述還原性含N物種與氮氧化物在OFA區(qū)反應(yīng)的條件，從而產(chǎn)生元素氮，使氮氧化物的濃度降低。
文檔編號(hào)F22B1/22GK1719103SQ200510082508
公開日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2005年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月6日
發(fā)明者V·M·扎曼斯基, V·V·利西安斯基, B·N·埃滕尼爾 申請(qǐng)人:通用電氣公司