CN1441889A - 利用三级燃料氧化和炉内烟道气就地循环降低氮氧化物排放 - Google Patents

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Abstract

利用三级氧化和第二级炉内烟道气就地循环降低碳质燃料燃烧中NOx排放的方法和设备。所述第一级中，用部分氧化燃烧器使燃料在加热的燃烧空气存在下部分燃烧。所述部分氧化过程中产生的气态燃料通入第二级部分氧化燃烧器，同时排出熔渣并处理掉。在第二级燃烧器中引入预热的第二燃烧空气产生还原烟道气并以这样的方式注入炉中以产生要求的就地炉内烟道气循环。在第三级燃料中使第三燃烧空气与所述烟道气混合使所述燃烧过程基本上完全。第一或第二级燃烧中可加入预热的水蒸汽。

Description

利用三级燃料氧化和炉内烟道气 就地循环降低氮氧化物排放
部分继续
本申请是1999年2月3日申请的USSN09/243501(US6085674)的部分继续。
发明背景
1. 发明领域
本发明涉及利用燃烧技术使来自碳质燃料燃烧的氮氧化物降至极低水平的方法。更具体地，涉及采用两级顺序部分氧化接着最后一级完全氧化的燃烧技术。在第二级部分氧化中并入炉内烟道气就地循环产生局部氧气浓度较低的较冷氧化区。
2. 现有技术描述
有几篇专利描述了降低含氮燃料燃烧的氮氧化物排放的分级燃烧技术。US3727562描述了降低氮氧化物(NOx)排放的三级法，其中第一级燃烧在空气不足的情况下操作，将来自此级的未燃烧燃料分离而在第二区用过量的空气燃烧，然后使所述第一和第二级的气体在空气过量的第三级燃烧。US4343606描述了一种分级燃烧法，其中在0.50至0.625的化学计量空气/燃料比下操作的第一级部分氧化区产生气态燃料，接着是在1.0或稍大的空气/燃料化学计量比下操作的第二级氧化。然后加入附加空气以确保所述燃料完全氧化。其它专利如US5002484描述利用外部烟道气循环降低NOx排放。另一些专利如US5316469和5562438描述利用燃烧器内烟道气循环降低NOx排放。虽然这些方法达到其目的，但它们未达到目前US环境保护机构(EPA)规定下所要求的NOx降低标准。
1990年的空气洁净法令修正案将燃煤电站锅炉的NOx排放限度调整至根据锅炉类型在2000年要满足0.40至0.86lb NOx/106Btu的范围，以上提及的许多专利技术已用于满足这些限制。但响应OzoneTransport Assessment Group(OTAG)1998年要求东和中西部各州执行的国家执行计划(SIP)，U.S.EPA已颁布新规定，到2003年将要求所有类型燃煤锅炉的氮氧化物排放在臭氧季节(五至九月)达到0.15lbNOx/106Btu或更低。
目前工业上可用的燃烧技术不能满足此限制。保证如此低NOx排放量的可用于烧碳质燃料的电站锅炉的唯一技术是选择催化还原(SCR)技术。所述SCR法通过添加氨和下游催化剂破坏煤燃烧过程中产生的NOx。此途径的投资和运行费用都很高。此外，煤中的砷使所述催化剂中毒，使其寿命缩短。而且来自所述燃烧过程的亚硫酸/硫酸铵和硫酸钙可堵塞所述催化剂，从而降低其有效性。
因而，燃烧含氮的碳质燃料时产生0.15lb NOx/106Btu或更低的氮氧化物排放的改进燃烧方法将是非常有利的。此体系将提供比SCR更低的每降低一吨NOx的成本，为电力工业提供一种经济的满足所述新颁布的氮氧化物排放标准的技术。
本发明炉内烟道气就地循环的分级燃烧法比实现此降低的SCR技术成分低，因为不需要碳质燃料燃烧产物可使之中毒的催化剂，在炉内烟道气就地循环的情况下分级燃烧是一种更可靠的技术。
发明概述
已发现在一***中采用分级燃烧器和炉内烟道气就地循环的方法，将使NOx排放降至2003年规定的≤0.15lb NOx/106Btu的限度。为实现分级燃烧，可利用任何现有分级燃烧器的第一级，其中空气/燃烧化学计量比(SR)可在0.50至0.70的范围内操作。这些类型的分级燃烧器描述在例如US4423702；4427362；4685404；4765258和5458659中，均引入本文供参考。此分级燃烧法可还加入碱性化合物以降低煤灰熔渣粘度和/或在熔融炉渣中捕集硫。虽然可使用任何类型的分级燃烧器，但优选的类型是从燃烧器中除去熔融炉渣以减小灰分携带量和降低炉渣在锅炉中结垢的那些。此外，在空气过量条件下操作的气旋炉可翻新改进以实施所述三级燃烧技术。
典型地，第一级燃烧器中在约0.50至0.70的空气/煤化学计量比(SR)下燃烧煤以减少含氮燃料燃烧产生的NOx。排出气态燃料并分离出熔渣。第二级燃烧中，用煤/空气混合的活塞流法在第一级产生的气态燃料中加入预热的第二级燃烧空气，空气的加入速度使此时总SR为约0.85至0.99。所述第二级的热空气优选在环绕运载所述气态燃料的管外的环形套筒中输送，向内至进入锅炉的中心气态燃料管出口成锥形。这种空气输入法确保迅速混合和在还原气氛下局部火焰温度较高以产生确保高燃烧效率(定义为灰分中未燃烧碳含量低)的高温条件。或者，所述第二级燃烧空气也可通过一或两个环绕进入锅炉的中心气态燃料管的同心空气旋流入口加入。由于这两种第二级空气加入法的火焰区都是还原的(氧气不足)，所以在第二级部分氧化区内产生很少的热NOx。所述第二级燃烧喷嘴设计成实现炉内烟道气循环(FGR)使用于第二级部分氧化的部分氧气可由所述FGR提供。这样可降低局部氧气浓度从而有助于减少NOx的形成。
第二级部分燃烧产物通过锅炉上升，通过向锅炉水冷壁辐射传热而被冷却。所述烟道气已被冷却至约2300至2700°F范围内时，加入过度燃烧空气(OFA)使此时总SR达到约1.05至1.25的范围内以使所述燃烧过程完全。由于温度较低不利于产生NOx的热反应，因而在此OFA区NOx的产量显著地降低。
附图简述
结合附图阅读以下详细描述将使本发明的各种其它目的、特征和优点更显而易见，这些附图仅作为举例示出，其中：
图1是用于壁式燃烧(wall-fired)电业锅炉的分级燃烧法的示意图；
图2示出第二级锥形空气入口设计之一优选实施方案；
图3由图3a、3b和3c组成，示出第二级空气入口的可选实施方案，分别包括锥形加空气旋流、双空气旋流、和单空气旋流设计；
图4是氰化氢、氨和NO热化学平衡随第一级空气/燃料化学计量比的变化图；
图5是第二级NO还原反应热化学平衡的图示；
图6是第三级NO热化学平衡随温度的变化图；和
图7是三级燃烧技术用于气旋式燃烧装置的示意图，其中气旋筒用于第一级燃烧。
发明详述
对于碳质燃料的燃烧而言，为利用分级燃烧实现NOx的深度降低，需要在燃烧过程中使所述化学计量空气/燃料比低于1.0直至所述气体足够冷而不能发生产生NOx的热反应。已发现采用有第二级烟道气循环(FGR)的此三级燃烧技术将使NOx排放降至优选低于0.15lbNOx/106Btu的水平。
为实施此三级燃烧技术，可使用前面提及的任何现有分级燃烧器的第一级，其中空气/燃烧化学计量比(SR)可在0.50至0.70的范围内操作。此燃烧技术可加入碱性化合物以降低煤灰熔渣的粘度和/或在熔融的炉渣中捕集硫。所述第一级燃烧中还可加入水蒸汽以改善碳的烧尽度，如US5458659中所述。虽然任何类型的分级燃烧器均可使用，但最优选的是从燃烧器或炉底除去熔渣以减小灰分携带量和降低炉渣在锅炉中结垢的那些。空气过量的气旋式燃烧装置也可通过在气旋筒气态燃料进入锅炉的凹喉处或在所述炉的低于和/或高于所述凹喉的一些点加入二次空气转变成所述三级操作。
在所述燃烧器的第一级内使煤在低于化学计量的空气条件下燃烧以减少释放的燃料氮氧化产生的NOx。第一级所达到的温度取决于燃料分析、水蒸汽和水的添加速率、预热空气的温度、空气/燃料比、和所述燃烧器或气旋筒内设计的除热。第一级的温度典型地在2600至3000°F的范围内。此级的SR典型地在约0.50至0.70的范围内。第一级燃烧优选有至少约0.1至0.3秒的停留时间以确保在随后的高温、更强的氧化条件下产生较少的氨和氰化氢(它们是NOx前体)。产生气态燃料，并从所述燃烧器中或从锅炉底部排出熔渣。
第二级燃烧中，将预热的第二级燃烧空气以活塞流方式引入来自第一级的气态燃料中。第二级燃烧空气以这样的速率加入以使此时的总SR在约0.85至0.99的范围内。第二级的热空气在外环形套筒中成锥形向内至进入锅炉的中心气态燃料管出口。这种空气输入法确保迅速混合和局部火焰温度较高以在还原条件下产生高温确保高燃烧效率(灰分中低碳)和提高NOx破坏反应的动力学速率。或者，所述第二级燃烧空气也可通过一或两个环绕进入锅炉的中心气态燃料管的同心水平空气旋流入口、或在所述内部同心空气区的锥形入口和所述外部空气区的水平旋流入口加入。由于这两种第二级空气加入法的火焰区都是总体还原的(氧气不足)，所以产生很少的热NOx。所述第二级燃烧气态燃料和空气喷嘴设计成实现炉内烟道气就地循环(FGR)使部分氧气可由所述FGR提供从而可降低预热的常压空气进入第二级的速度。这样可降低局部氧气浓度从而有助于减少NOx的形成。每一具体的锅炉需要完成确定最佳喷射速度和第二级火焰取向以产生所要FGR效应的模型。
此第二级部分氧化中所用SR与传统的再燃烧(Reburn)技术中所用SR类似，其中在锅炉热部(高于传统燃料器且与之分离)的燃烧烟道气中加入燃料，使所述再燃烧燃料注射点处的炉内SR从进入该区的由燃烧器提供的1.10至1.20范围降至约0.90的SR。标称的0.90SR形成还原气体条件使所述空气过量燃烧器火焰中形成的一氧化氮(NO)转化成大气中的或双原子的氮(N2)。用本发明的分级燃烧技术，离开所述第一级(典型地SR＝0.60)的NOx和NOx前体化合物将比产生总体空气过量条件(SR＞1.0)的传统燃烧器低得多。由于燃烧区内氧气分压对NOx产量影响很大，氧气浓度越高，NOx产量越高。通过在第一级中在0.60的SR下燃烧煤并在约0.90的SR下燃烧离开所述第一级而进入所述炉内的气态燃料，形成很少的NOx，因为产生的还原气有使已形成的任何NOx转化成N2的倾向。炉内就地FGR还有助于降低局部氧气浓度。前两级部分氧化中产生的烃(CHx)、一氧化碳(CO)和氢气(H2)利于按以下简化的总反应实例使NO转化成N2：
，
，和
。
来自第二级的部分燃烧气态产物通过锅炉上升，通过向锅炉水冷壁辐射和对流传热而被冷却。所述微还原烟道气已被冷却至约2300至2700°F范围内时，加入过度燃烧空气(OFA)以使所述燃烧过程完全。由于温度较低，比较高的炉温更不利于热NOx反应，因而在此OFA空气过量区NOx的产量很小。
以下详细的工艺描述中，各图中相同的标记意指相同的元件。
优选使用Florida Power Corporation分级燃烧器(US4423702和5458659)的本发明方法的一个典型实例示于图1中。本领域技术人员将理解可对此图进行某些改变，而此改变仍在在本发明范围内。图1所示实施方案中，第一级燃烧器10位于锅炉14的入口12之前。每一燃烧器中的开口16接收常规燃料如粉煤(例如)和碱性产品如石灰或石灰石(未示出)及运载用一次空气8或预热空气17。通过调节预热的(400至700°F)二次空气流18使所述燃烧器内发生控制的煤的部分氧化。通过控制预热空气流17使第一级燃烧器10中空气/燃料化学计量比(SR)保持在约0.50至0.70(SR1)，最优选保持在约0.60。一种可选的实施方案中，可向燃烧器10中注射水蒸汽或水20，加水蒸汽或水产生0.1至0.3的水蒸汽或水/燃烧之重量比以增强所述部分氧化或气化反应。所述第一级燃烧器10的情况下，在部分氧化室22中使气态燃料形式的部分燃烧产物与来自煤的灰分加所述碱性无机化合物的熔渣分离，包含碱性化合物和煤灰的熔渣低共熔物24通过第一级燃烧器10的底部开口26排出。在水淬闸门***28中使所述熔渣骤冷，使所述灰排入收集罐，从中泵入沉淀池或按传统的已知方法处理。
所述分级燃烧器10有一个部分氧化区，其中在约2200至3000°F的温度下混合使煤与空气密切接触。通过使用有熔渣排除装置的分级燃烧器10，在气体进入锅炉14之前和在入口12处进一步部分氧化之前从气体中除去所述煤部分氧化过程中产生的大部分(75-90％)熔渣。为减少在高温和过量空气条件下产生NOx前体-氰化氢(HCN)和氨(NH3)，在所述第一级燃烧器内的停留时间应在至少约0.1至0.3秒的范围内。所述热的气态燃料产物离开燃烧器10，经管29至入口12通入锅炉14。三次空气通过形成第二级部分氧化30锥形入口(图2)导入炉内使气态燃料与空气迅速混合产生热火焰区，由于此区的还原条件(SR2＝0.85至0.99)使NOx产量减少。可选地，如后面更充分地描述的，此第二级燃烧中可使用三次空气加四次空气。在一定的速度范围内设定燃烧产物的喷流效应38以确保炉内烟道气循环至第二级射流中。所述速度随锅炉的几何形状和锅炉燃烧器的数量改变。在此效应下，减少引入第二级的常压预热空气。从锅炉上部落下的循环烟道气(它是氧化气氛)中的氧气补充保持要求的SR或约0.85至0.99所需余量氧气。
来自第二级部分氧化的气态燃料产物31通过锅炉14的辐射段上升，通过向锅炉的水冷壁36辐射和对流传热而被冷却至2400至2700°F的温度，其中所述气体已在还原气氛条件下保持约0.25至0.50秒或更长时间。此时，在入口32处向炉内加入过度燃烧空气(OFA)形成第三级燃烧技术以使所述燃烧过程完全，加入空气使此区内化学计量比达到约1.05至1.25(SR3)的空气过量条件。OFA注射可通过确保空气与炉内气体迅速混合任何可用的工业设计实现以使第二级气流中的燃料组分完全燃烧。
图2中所示第二级燃烧技术设计通过环绕离开第一级燃烧器10的内部热气态燃料管29的有出口锥管34的同心管环形套筒33加入三次空气，所述管的末端形成入口12。从三次空气管壁37至炉14测量的锥角35优选在25至50°的范围内，应这样设计以确保所述热气态燃料(通过气态燃料管29流动的)与部分氧化空气(通过三次空气环形套筒33流动的)迅速以活塞流混合。控制空气速度使第二级的总SR为0.85至0.99(SR2)。图3的各实施方案中所示可选的第二级燃烧技术设计成引入三次和四次空气。此实施方案中可采用三种可选途径。第一种途径(如图3a所示)通过由环绕内部气态燃料管29的有锥形出口44的三次空气管壁42形成环形套筒40加入三次空气。从三次空气管壁42测量的锥角46优选在约25至50°的范围内，应这样设计以确保所述热气态燃料与所述燃烧空气迅速以活塞流方式混合。通过环绕所述三次空气管42的、优选包括使空气旋流的内部倾斜挡板52的同心管50的环形套筒48加入四次空气。所述四次空气旋流设计成可调节的以缩短或延长总的火焰长度，较大的旋流使火焰长度减小，较小的旋流使火焰延长。控制总空气速度使第二级的总SR在约0.85至0.99(SR2)的范围内。
第二种途径(如图3b所示)是通过环绕内部气态燃料管29的两个同心管环形套筒54、56加入三和四次空气，这些圆筒之一或之二优选包含角度可调的内部挡板58、60以确保空气旋流。三次空气通过环绕离开第一级部分氧化装置10而终止于炉入口12的内部热气态燃料管29的同心管43的环形套筒54加入。四次空气通过环绕三次空气管43的同心管64的环形套筒56加入。通过改变相对空气流速和两区之间的空气旋流强度，可使火焰形成长火焰以从中辐射能量而形成较冷的火焰。需要时，在未利用过度燃烧空气***的情况下可有效地利用此类第二级入口确保低NOx排放，但已知一般不如使用OFA***时低。控制总空气速度使第二级的总化学计量比在约0.85至0.99(SR2)的范围内。需要时，此级也可加入水蒸汽或水。
第三种实施方案中，如图3(c)所示，通过环绕离开第一级部分氧化装置10而终止于炉入口12的内部热气态燃料管29的同心管68的一个同心管环形套筒66加入三次空气。所述三次空气设计成形成空气旋流67。控制总空气速度使第二级的总SR在约0.85至0.99(SR2)的范围内。在来自第二级的气态燃料31已冷却至2300至2700°F范围内之后完成第三级燃烧技术(过度燃烧空气)32。
用一维火焰(ODF)动力学模型评价所述三级粉煤燃烧技术。所述ODF模型将所述燃烧***视为一系列一维反应器。每个反应器可以是完全混合(充分搅拌)或未混合(活塞流)的。每个ODF反应器可还被赋予各种热力学特征，包括绝热、等温、或具体的温度和热通量和/或压力分布。此外，可在所述活塞流反应器的任何间隔加入工艺物流，沿反应器长度有任意的混合图形。输入数据包括初始物质浓度和条件、每个反应器的条件、化学物质和反应机理包括速率参数的描述、和模型控制参数。单独的输入文件提供所述化学物质的热力学性质数据库。输出数据包括沿反应器链特定位置的浓度分布。用基于通过与实验结果对比证实的来自实验文献的数据的详细反应机理计算每个反应器内的化学反应。所述详细反应机理的解答采用适用于许多耦合方程***的隐含解算法。专门的子模型用于粉煤燃烧和气相辐射现象。所述ODF模型已针对来自几个源的实验数据验证。因而用于评价本发明三级燃烧技术。
分析所述三级燃烧技术中，煤、吸附剂(和可选的水蒸汽)混合物在第一活塞流反应器开始时以约0.60(SR1)的化学计量比和设定的初始温度(2600至3000°F)下引入。在第一级中在0.60的SR下用活塞流提高局部火焰温度(在还原条件下)以减少氮氧化物前体(具体地为氰化氢和氨)的形成，见图4。约0.20秒的停留时间之后，添加空气开始第二级，使第二级的化学计量比达到约0.88至0.96(SR2)。第二级的停留时间设置在0.5秒，相信这对于电业锅炉而言是合理的时间。第二级火焰温度和气态燃料/空气混合时间对最终NOx排放影响最大。第二级火焰温度越低，产生的NOx越少。注入水蒸汽与不注入水蒸汽相比NOx产量更低，主要是因为火焰温度降低。在其它参数相同的情况下，注入水蒸汽使第二级火焰温度比不注入水蒸汽时下降60°F。因此，在第二级燃烧之前用水蒸汽或更大的除热使第一级容器中的气态燃料冷却有益于减少NOx排放。基于相同的燃烧温度，与不注入水蒸汽的三级燃烧相比，以约0.30lb水蒸汽/lb煤的比率添加水蒸汽使NOx排放减少约10％。
此外，气态燃料/空气混合在第二级的停留时间越长，局部火焰温度越低，因而最终的NOx排放越低。图5中示出第二级的NOx还原热化学平衡。第二级的还原条件保持0.5秒的时间后，加入过度燃烧空气(OFA)使第三级的化学计量比达到约1.14(SR3)提供3.2％(干)氧气浓度。进入炉上部的冷却(过热/再热)通道之前此区的停留时间也设置在0.5秒。由于在第二级气态燃料已冷却后加入空气，所述OFA燃烧区内火焰温度相当低(2400至2700°F)。如图6所示，在较低温度下不利于热NOx产生。例如，在2400°F下热NOx产生反应 的平衡系数低于在2700°F平衡系数的十分之一。
基于实验数据假定第二级和第三级的混合时间为0.07秒。考虑到火焰辐射和解离损失在为与形成的质量和能量平衡相应而增加的热量除去下操作这些级。来自OFA注射点的气态燃料在进入炉过热/再热区之前应有至少约0.25秒和更优选0.50秒或更长的停留时间。
表1示出在有和没有水蒸汽的情况下操作时各种第二级化学计量比(SR2)的预计总NOx排放。可见，通过在约0.88至0.97范围内的化学计量比下操作所述第二级，所述三级燃烧技术可达到约0.15lb/106Btu或更低的NOx排放。在低化学计量比下，预计NOx排放低达0.067至0.088lb/106Btu。此数据未考虑有助于进一步降低NOx的所述FGR现象。
表1.三级煤燃烧
第一级加入水蒸汽*SR1＝0.60，停留时间0.2秒SR2＝0.89-0.95，停留时间0.5秒SR3＝1.14，停留时间0.5秒 第一级不加水蒸汽SR1＝0.60，停留时间0.2秒SR2＝0.88-0.96，停留时间0.5秒SR3＝1.14，停留时间0.5秒
总NOx排放 总NOx排放
SR2 ppmvd(@3％O2) lb/106Btu SR2 ppmvd(@3％O2) lb/106Btu
0.89 46 0.067 0.88 61 0.088
0.93 61 0.088 0.91 86 0.120
0.95 75 0.109 0.93 113 0.157
*0.30lb蒸汽/lb燃煤 0.96 175 0.244
虽然加煤、壁式和切向燃烧炉需要加入第一级部分氧化装置以实施本发明的三级氧化技术，但气旋式燃烧炉不需要。如图7所示，气旋式燃烧装置70上现有的燃烧筒可改成在本发明第一级部分氧化条件下操作。传统的两级燃烧***与所述气旋式燃烧装置70之间的区别在于它们烧粉煤(典型地70％-200目)而所述气旋装置烧底煤72(典型地-1/4”尺寸)。
最近，某些电业已在其气旋装置中加入过度燃烧空气74以使所述气旋燃烧筒76可在微还原条件(SR＝0.90至0.95)下运行。这导致NOx减少多达60％。筒76中在传统的过量空气条件下操作的旋风器典型地是高NOx排放装置，通常在1.0至2.0lb NOx/106Btu的范围内。为实施所述三级技术，在来自筒76的热气91进入主炉的凹喉位置82向已经有过度燃烧空气74容量的气旋装置70中加入附加的预热空气78。第一级装置(气旋筒76)则在针对传统的两级燃烧装置所述的化学计量空气/燃料比条件(SR约0.50至0.70)下操作，预热空气80和78通过管线87(一次空气)、88(二次空气)和89(三次空气)加入筒中。预热空气78在所述筒的凹喉位置82加入以使炉下部84内SR增至约0.85至0.99。此第二级空气将在来自筒76的第一级气态燃料91进入炉的凹喉90周围、或在与所述凹喉同一炉壁上或相对炉壁或侧壁上或其组合的高于和/或低于凹喉开口处83加入。所述第二级空气无论在何处都将实现炉内烟道气就地循环，如箭头93和/或92所示。在炉上部86中加入过度燃烧空气74以使所述燃烧过程完全，此时的SR典型地升至约1.10至1.20以确保足够的碳烧尽度。
实施所述三级技术需要对任何现有气旋燃烧装置所做的改变包括：1)在凹喉位置82的为第二级燃烧提供空气的穿透锅炉管壁的通风管和注射器；2)可添加石灰石以降低熔灰粘度(优选约10泊的粘度)以致炉渣很容易从炉底排出；3)可将所研究的筒式水冷壁上现有的耐火材料层换成在还原气氛条件下性能更好的耐火材料；和4)增加向炉上部86供应空气的管道和过度燃烧空气74的注射器(如果不在适当位置)。对于烟道气直接在所述凹喉位置以上注入炉内的配有烟道气循环(FGR)***的气旋式燃烧装置，可利用现有的FGR口添加第二级空气而不必增加管壁穿透。
此外，如果低反应性燃料如低挥发性生煤、无烟煤或石油焦需要，可将添加水蒸汽和/或水的技术用于这些改型气旋装置以提高碳的烧尽度。这通过碳-水反应( )实现，该反应在高温(例如2600°F)下有与碳-氧反应类似的反应速率。注入水蒸汽和/或水是在煤气化工业已实践几十年的可靠技术。
已详细地描述了本发明的具体实施方案，在本公开的总教导下开发各种修改和改变对于本领域技术人员是显而易见的。例如，可使用任何类型的碳质燃料如选自无烟煤、生煤、次生煤和褐煤；焦油及其乳液、沥青及其乳液、石油焦、石油及其乳液、煤的水和/或油浆、造纸厂污泥固体物、污水污泥固体物类的一或多种和此类内所有燃料的的组合及其混合物。因此，所公开的特殊排列是要举例说明而不限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其任何和所有等同物的全部宽度给出。

Claims (49)

1.一种降低碳质燃料燃烧过程中氮氧化物(NOx)排放的方法，所述方法包括以下步骤：
a)将含有燃料结合氮的碳质燃料加入第一级部分氧化装置，其中加入运载用一次空气和预热的二次空气，与所述碳质燃料混合产生气态燃料；
b)将所述气态燃料引入第二级部分氧化并向所述气态燃料中加入预热的三次空气形成炉内烟道气就地循环；
c)将所述气态燃料和预热的三次空气加入锅炉中，流过所述锅炉的辐射段产生微还原的烟道气；和
d)将所述烟道气引入第三级氧化，其中向所述锅炉中加入预热的过度燃烧空气使所述燃烧过程基本上完全。
2.权利要求1的方法，包括无烟煤、生煤、次生煤和褐煤、焦油及其乳液、沥青及其乳液、石油焦、石油及其乳液、煤的水和/或油浆、造纸厂污泥固体物、污水污泥固体物类的碳质燃料及此类内所有燃料的组合及其混合物。
3.权利要求1的方法，其中所述运载用一次空气和预热的二次空气加入在约0.50至0.70的化学计量空气/燃料比下操作的第一级部分氧化装置中。
4.权利要求1的方法，还包括与所述碳质燃料一起加入选自石灰、水合石灰、石灰石、白云石、天然小苏打、天然碱和钾碱的碱或其组合的步骤。
5.权利要求1的方法，还包括与所述碳质燃料一起加入水蒸汽或水达到0.1至0.3的水蒸汽或水/燃料重量比的步骤。
6.权利要求1的方法，其中所述第一级部分氧化的气态燃料在所述第一级氧化装置中的停留时间为约0.1至0.3秒。
7.权利要求1的方法，还包括用水淬***使熔渣与所述第一级部分氧化装置中的气态燃料分离产生固化的灰粒并使所述气态燃料通过管离开所述装置进入锅炉的步骤。
8.权利要求1的方法，其中所述预热的二次空气在约400至700°F范围内的温度下加入。
9.权利要求1的方法，其中通过同心管在成锥形向内至进入锅炉的第一级气态燃料中心管出口的外环形套筒中加入预热空气使所述气态燃料与三次空气以活塞流方式混合，从所述筒壁的轴平面测量的锥角在约25至50°的范围内。
10.权利要求1的方法，其中预热的三次空气以这样的速度加入以使第二级氧化中总的空气/燃料化学计量比为约0.85至0.99。
11.权利要求1的方法，其中使所述气态燃料与预热的三次空气和预热的四次空气混合。
12.权利要求11的方法，其中预热的三次空气和预热的四次空气以这样的速度加入以使第二级氧化中总的空气/燃料化学计量比为约0.85至0.99。
13.权利要求1的方法，其中所述方法在过量空气气旋式燃烧炉中进行，通过增加预热空气***在所述气旋筒的凹喉位置向所述气旋式燃料炉中引入空气然后在炉上部引入过度燃烧空气使所述燃烧过程完全，使所述燃烧炉以三级燃烧器方式运行。
14.权利要求11的方法，其中所述预热的三次空气通过环绕来自第一级部分氧化的内部气态燃料管的同心圆筒加入。
15.权利要求14的方法，其中所述同心圆筒的出口有锥形开口，向内朝所述第一级气态燃料管形成角度，从所述筒壁的轴平面测量的锥角在约25至50°的范围内。
16.权利要求14的方法，其中所述圆筒包含角度可调的内部挡板使空气旋流。
17.权利要求14的方法，其中所述预热的四次空气通过环绕所述三次空气管的同心圆筒加入。
18.权利要求17的方法，其中所述圆筒包含角度可调的内部挡板使空气旋流。
19.权利要求14的方法，其中针对具体的锅炉设计设置第一级气态燃料和三次空气的速度以产生要求的炉内烟道气就地循环速度。
20.权利要求14和17的方法，其中针对具体的锅炉设计设置所述第一级气态燃料、三次空气和四次空气的速度以产生要求的炉内烟道气就地循环速度。
21.权利要求1的方法，其中使来自第二级部分氧化的烟道气冷却至约2400至2700°F的温度。
22.权利要求1的方法，其中使来自第二级部分氧化的烟道气在还原气氛条件下保持约0.25至0.50秒或更长时间。
23.权利要求1的方法，其中使来自第二级部分氧化的烟道气在还原气氛条件下保持至少0.5秒。
24.权利要求1的方法，其中第三级氧化中向所述冷却的炉内烟道气中加入预热空气使所述燃烧过程完全。
25.权利要求1的方法，其中所述烟道气是还原烟道气。
26.权利要求25的方法，其中第三级氧化中向所述冷却的炉内还原烟道气中加入预热空气建立约1.05至1.30的空气/燃料化学计量比。
27.权利要求25的方法，其中第三级氧化中在所述还原烟道气已冷却至约2400至2700°F的温度时用任何过度燃烧空气炉内注射技术加入预热空气。
28.权利要求4的方法，其中添加所述碱或其组合的步骤包括将所述碱或其组合加入注入第一级部分氧化装置的运载用一次空气和/或预热的二次空气中。
29.一种降低碳质燃料燃烧过程中氮氧化物(NOx)排放的方法，所述方法包括以下步骤：
a)将含有燃料结合氮的碳质燃料加入第一级部分氧化装置，其中加入运载用一次空气和预热的二次空气，与所述碳质燃料混合产生气态燃料；
b)将所述气态燃料引入第二级部分氧化并向所述气态燃料中加入预热的三次空气；
c)将所述气态燃料和预热的三次空气加入锅炉中，流过所述锅炉的辐射段产生烟道气；和
d)将所述烟道气引入第三级氧化，其中向所述锅炉中加入预热的过度燃烧空气使所述燃烧过程基本上完全。
30.权利要求29的方法，其中所述运载用一次空气和预热的二次空气加入在约0.50至0.70的化学计量空气/燃料比下操作的第一级部分氧化装置中。
31.权利要求30的方法，还包括与所述碳质燃料一起加入选自石灰、水合石灰、石灰石、白云石、天然小苏打、天然碱和钾碱的碱或其组合的步骤。
32.权利要求30的方法，还包括与所述碳质燃料一起加入水蒸汽或水达到0.1至0.3的水蒸汽或水/燃料重量比的步骤。
33.权利要求32的方法，其中所述第一级部分氧化的气态燃料在所述第一级氧化装置中的停留时间为约0.1至0.3秒。
34.权利要求33的方法，其中所述预热的二次空气在约400至700°F范围内的温度下加入。
35.权利要求29的方法，其中所述气态燃料以约35至70ft/sec的速度引入所述第二级部分氧化中。
36.权利要求34的方法，其中通过同心管在成锥形向内至进入锅炉的第一级气态燃料中心管出口的外环形套筒中加入预热空气使所述气态燃料与三次空气以活塞流方式混合，从所述筒壁的轴平面测量的锥角在约25至50°的范围内。
37.权利要求35的方法，其中所述预热的三次空气进入所述气态燃料的速度在约50至100ft/sec的范围内。
38.权利要求36的方法，其中预热的三次空气以这样的速度加入以使总的空气/燃料化学计量比在约0.85至0.99的范围内。
39.权利要求29的方法，其中使所述气态燃料与预热的三次空气和预热的四次空气混合。
40.权利要求29的方法，其中所述方法在过量空气气旋式燃烧炉中进行，通过增加预热空气***在所述气旋筒的凹喉位置向所述气旋式燃料炉中引入空气然后引入过度燃烧空气使所述燃烧过程完全，使所述燃烧炉以三级燃烧器方式运行。
41.权利要求39的方法，其中所述预热的三次空气通过环绕来自第一级部分氧化的内部气态燃料管的同心圆筒加入。
42.权利要求41的方法，其中三次空气通过所述圆筒的速度在约20至50ft/sec的范围内。
43.权利要求41的方法，其中所述预热的四次空气通过环绕所述三次空气管的同心圆筒加入。
44.权利要求43的方法，其中四次空气通过所述圆筒的速度在约75至125ft/sec的范围内。
45.权利要求38的方法，其中使来自第二级部分氧化的烟道气冷却至约2400至2700°F的温度。
46.权利要求45的方法，其中使来自第二级部分氧化的烟道气在还原气氛条件下保持约0.25至0.50秒或更长时间。
47.权利要求46的方法，其中第三级氧化中向所述冷却的炉内烟道气中加入预热空气使所述燃烧过程完全。
48.权利要求47的方法，其中第三级氧化中向所述冷却的炉内还原烟道气中加入预热空气建立约1.05至1.30的空气/燃料化学计量比。
49.权利要求48的方法，其中第三级氧化中在所述还原烟道气已冷却至约2400至2700°F的温度时用任何过度燃烧空气炉内注射技术加入预热空气。
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