用于运行弹性燃料炉以减少污染物排放的方法和设备

摘要

本发明涉及一种用于运行弹性燃料炉以减少污染物排放的方法和设备。一种弹性燃料炉(20)，所述弹性燃料炉包括主燃烧区域(25)、位于所述主燃烧区域(25)下游的再烧区域(26)和传输系统(30、110)，所述传输系统被可操作性地联接至生物物质和煤的供应装置且被构造成将所述生物物质和煤作为第一和再烧燃料的成分传输至所述主燃烧区域(25)和所述再烧区域(26)，且每种燃料包括弹性量的所述生物物质和/或煤。所述弹性量对于处在运行状态下的所述炉(20)而言是可变的。

说明书

对相关申请的交叉参考

本非临时申请要求美国临时申请60/999,749的优先权，所述美国临时申请于2007年10月11日由于2007年9月24日申请的美国专利申请No.11/860,222转为临时申请状态，这两个申请的整体内容在此作为参考被引用。

技术领域

本发明的多个方面涉及炉的运行，更具体而言，本发明涉及减少污染物排放的炉的运行。

背景技术

由于对全球气候问题担忧的加剧，因此已经采用了多种用于减少来自化石燃料锅炉的排放物的方法和设备。这些方法和设备将燃料分级、生物物质共烧、生物物质气化、生物物质再烧和/或其组合引入炉的运行中以便减少污染物排放，所述污染物排放包括NOx、SOx、CO₂、Hg等。

然而，上述方法中的每种方法都包括某些缺点，这些缺点限制了它们的适用性。这些缺点包括：需要依靠季节性燃料的可得性、需要对燃料进行预处理、效率低以及高成本。此外，就在共烧或再烧运行中单独使用生物物质这方面而言，上述缺点是特别相关的且通常会导致排放物的减少并未完全达到其要求。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种弹性燃料炉(fuel flexiblefurnace)，所述弹性燃料炉包括主燃烧区域、位于所述主燃烧区域下游的再烧区域、位于所述再烧区域下游的烧尽区域、和传输系统，所述传输系统被可操作性地联接至生物物质和煤的供应装置且被构造成将所述生物物质和煤作为第一和再烧燃料的成分传输至所述主燃烧区域和所述再烧区域，且每种燃料包括弹性量的所述生物物质和/或煤。所述弹性量对于处在运行状态下的所述炉而言是可变的。

根据本发明的另一方面，提供了一种用来减少污染物排放的锅炉中的弹性燃料炉，所述弹性燃料炉包括主燃烧区域；位于所述主燃烧区域下游的再烧区域；传输系统，所述传输系统被可操作性地联接至生物物质和煤的供应装置且被构造成将所述生物物质和煤作为第一和再烧燃料的成分传输至所述主燃烧区域和所述再烧区域，且每种燃料包括弹性量的所述生物物质和/或煤，所述弹性量对于处在运行状态下的所述炉而言是可变的；烧尽区域，其中过烧空气(OFA，overfire air)被注入所述烧尽区域内以便与所述主燃烧区域和所述再烧区域的排放物混合从而形成富氧且贫燃料的排放物；排出路径，所述排出路径被联接至所述烧尽区域的出口，其中从所述炉的热传递表面上去除了颗粒物质；和排出系统，所述排出系统被联接至所述排出路径，排放物通过所述排出系统被排至所述锅炉的外部。根据每种燃料中的所述生物物质和煤的所述弹性量对所述排出路径和所述排出系统的运行进行控制。

根据本发明的另一方面，提供了一种运行弹性燃料炉的方法，所述方法包括在所述炉的主燃烧区域中燃烧第一和再烧燃料；将所述第一和再烧燃料注入所述炉的再烧区域内，所述再烧区域位于所述主燃烧区域的下游；并且供应弹性量的生物物质和/或煤而作为所述第一和再烧燃料的成分。所述弹性量在所述炉的运行状态过程中是可变的。

附图说明

当结合附图阅读以下详细描述时，将会更好地理解本发明的这些和/或其它特征、方面和优点，其中在所有附图中使用相似的附图标记表示相似的部件，其中：

图1是包括根据本发明的一个实施例的弹性燃料炉的锅炉的示意图；

图2是图1所示锅炉中的弹性燃料炉的示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的煤供给系统的示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的生物物质供应系统的示意图；

图5是图1所示锅炉的特征的示意图；和

图6是图1所示锅炉的特征的示意图。

具体实施方式

如图1所示，锅炉10包括具有炉底11的炉20、出口12、排出路径13和排出系统14。出口12通常比炉20更窄且被设置成允许在炉中产生的排放物排放出去。排出路径13被联接至出12且首先相对于炉20沿大体上横向的取向进行延伸并且随后相对于炉20沿大体上向下的取向进行延伸，排放物通过所述排出路径持续行进而通过出口12被排出。从排出路径13中的热传递表面上去除从在炉20中产生的排放物中积聚的颗粒物质。排出系统14被联接至排出路径13且允许在炉20中产生的排放物被排至大气。尽管图中将锅炉10示作相对壁粉煤(PC)燃烧锅炉(opposed wall-fired boiler)，但本发明的实施例也可被应用于其它类型的锅炉。这些其它类型的锅炉包括前壁燃烧锅炉、切向燃烧锅炉和旋风式燃烧锅炉等。

参见图1和图2，炉包括限定出炉20的内表面的前壁21、后壁22和侧壁(未示出)，且包括炉底11和出口12。此外，前壁21、后壁22和侧壁限定出主燃烧区域25和被设置在所述主燃烧区域25下游的再烧区域26的内表面。

与主燃烧区域25紧邻地，多个第一燃烧器23被布置在前壁21上，且多个第二燃烧器24被相似地布置在后壁22上。在本发明的一个实施例中，第一燃烧器23和第二燃烧器24被成排地布置。第一燃料，如粉煤、粉煤/石油焦炭混合物等，以气动方式沿煤供给管线C从燃料传输系统的煤供给系统110的研磨机101被供应至第一燃烧器23和第二燃烧器24，稍后将结合图3对所述煤供给系统的实施例进行描述。通过风机50借助于空气歧管51和52和空气加热器53将燃烧空气泵送至第一燃烧器23和第二燃烧器24，所述空气加热器可对被泵送的空气进行加热。第一燃烧器23和第二燃烧器24在主燃烧区域25中点燃并燃烧第一燃料和空气。如下所述，还存在附加的实施例，其中在第一燃料中包括生物物质。

第一燃烧器23和第二燃烧器24的点火使得在主燃烧区域25中产生了排放物，所述排放物可包括污染物如氮氧化物(NOx)、二氧化碳(CO₂)、硫的氧化物(SOx)和汞(Hg)。所述排放物被输送通过炉20、排出路径13和排出系统14以便通过排出烟囱28(参见图6)被排往大气。

根据本发明的实施例，炉20中的改进的燃烧工艺减少了排放物中污染物的量。即，通过至少一个再烧注射器41将再烧燃料注入再烧区域26内，所述再烧燃料可包括例如生物物质、煤和/或弹性量的生物物质与煤的组合，所述再烧区域被设置在炉20内且位于主燃烧区域的下游。所述再烧燃料根据主燃烧区域的排放污染物的组成成分而与所述污染物进行反应并减少了所述污染物的量。即，再烧燃料通过将氮的氧化物转化成分子氮而与氮氧化物排放物进行反应并减少了所述氮氧化物排放物。此处，再烧燃料中的生物物质从燃料传输系统的生物物质供应系统30被供应出来，下面将结合图4对所述生物物质供应系统的实施例进行描述。由于生物物质是对于CO₂显示中性的燃料，因此，CO₂排放物的减少与被生物物质取代的化石燃料的百分比成正比例。当与原煤燃料相比包含更低量的硫和汞的生物物质被用来提供锅炉的热量输入的一部分时，相对于仅有煤的点火模式而言，SOx和Hg的排放物被减少。由于与煤相比，生物物质中的碱和碱土化合物的浓度升高了，因此在生物物质氧化过程中产生的生物物质烧焦物通常更具有反应性且通常具有比煤氧化产生的烧焦物更高的孔隙率和表面积。生物物质烧焦物所具有的更高的反应性和表面积导致对在生物物质烧焦物颗粒上进行的燃烧过程以及随后的过程中释放的汞进行了高效地捕获。此外，在燃烧过程中释放的生物物质的氯含量将汞的氧化从其元素形式Hg⁰改进为氧化的形式Hg^2-，随后可通过本领域已公知的方法高效地捕获所述氧化的形式。结果是，在上述工艺中，利用生物物质燃料导致减少了释放到大气中的汞的量。

如图2所示，再烧区域26位于炉20中的主燃烧区域25的下游。增压空气风机104和风门105被联接至该至少一个再烧注射器41以便改进再烧区域26中再烧燃料的混合。尽管图2中仅示出了一个再烧注射器41，但还可在相似或其它可选的位置处将附加的再烧注射器41联接至炉20。例如，一个或多个再烧注射器41可位于炉20的前壁21、后壁22和/或侧壁处以便实现再烧区域26中再烧燃料的高效混合。在任何情况下，可为每个再烧注射器41供应生物物质且通过由从研磨机101延伸通过风门103且向着再烧注射器41进行延伸的箭头所表示的独立的煤供给管线对所述每个再烧注射器进行供应。此外，可为每个再烧注射器41提供独立的风门105来控制增压空气流和被注射通过再烧注射器41中的每个再烧注射器的再烧燃料物质流的混合特性。

根据本发明的实施例，再烧燃料与存在于再烧区域26中的燃烧气体进行的高效混合需要再烧燃料大体上完全透入炉20内。为此目的，可采用再烧注射器41的多种构造。在一种构造中，复合再烧注射器41将煤和生物物质颗粒以不同轨迹注入炉20的再烧区域26内，所述复合再烧注射器在将煤和生物物质颗粒注入再烧区域26内之前并不使所述煤与生物物质颗粒进行混合。在另一种构造中，可通过预混合再烧注射器41而使再烧燃料必要地透入再烧区域26内，所述预混合再烧注射器被设计成在将煤和生物物质燃料颗粒注入再烧区域26内之前使所述煤与生物物质颗粒进行混合。

为了完成燃烧过程，过烧空气(OFA)被注入炉20的烧尽区域27内，所述烧尽区域位于再烧区域26的下游。过烧空气通过多个过烧空气注射器106和107被注射。尽管过烧空气注射器106和107在图中被示作在炉20中彼此齐平，但在本发明的其它可选实施例中，一个或多个过烧空气注射器还可位于炉20的上部部分中的烧尽区域27的下游。过烧空气的注射形成了富氧且贫燃料的排出气体，所述排出气体通过出口12、排出路径13和排出系统14。

现在将对根据本发明的实施例的用于将再烧燃料提供给再烧区域26的系统进行描述。参见图3，煤供给系统110的典型实施例将要被粉碎的煤供应给研磨机101。研磨机101的并未借助于煤供给管线C被提供给第一燃烧器23和第二燃烧器24的输出物被提供给再烧注射器41，正如图1和图2中的从研磨机101延伸出来且延伸通过风门103的箭头所示。风机102供应空气以使研磨机101进行运转并且将粉煤输送通过风门103并输送至再烧注射器41。根据本发明的实施例的煤供给系统110可进一步包括煤堆111、带式供给器112和114、煤研磨器113、暂时煤贮存仓115和供给器116以便根据需要而贮存煤并且以便将煤输送至研磨机101。当再烧燃料包括生物物质以及粉煤的供应物时，至少通过二氧化碳排放物的减少还使得实现了氮氧化物排放物的减少。

参见图4，生物物质通过生物物质供应系统30被供应至再烧注射器41，所述生物物质优选处在长度为约0.2毫米至2毫米的颗粒尺寸范围及其中包含的所有子范围内。通过这种方式，再烧燃料供应了炉20的总热量输入的约20-30％，但提供了燃料供应的40-50％。因此，如果没有本发明的实施例所提供的优点，则会需要相对大量的生物物质。

此处，应该注意到：生物物质供应系统的结构在很大程度上取决于所使用的生物物质的本质。由此，图4所示的实施例应该被认为仅仅是典型的生物供应系统30。

如图4所示，生物物质可起初被贮存在生物物质贮存装置31中。筛选装置33筛去很大的颗粒，同时尺寸减小装置34如锤磨机使被筛选颗粒的尺寸减小。输送器32和35将生物物质输送通过生物物质供应系统30并输送进入用于进行暂时贮存的储料器36内。储料器36具有足够的尺寸以使炉20在特定的时期期间进行平滑运转。例如，储料器36的容量可提供足够量的生物物质以便用作使炉20进行为期一周的运转的燃料或用作使炉20进行小到8小时的不间断运转的燃料。来自储料器36的生物物质被传输通过气塞37和螺旋传输器38而到达喷射器39。喷射器39使生物物质与载气混合，且随后生物物质/载气混合物以气动方式被传输至再烧注射器41。

载气可以是由被联接至风门42的专用空气风机如专用空气风机40(参见图1和图5)供应的环境空气、从空气歧管51和52按路线传送出来的空气、蒸汽、再循环废气(RFG)、惰性气体或其混合物，只要载气的温度和氧含量不会使生物物质被过早点燃即可。参见图5，在本发明的一个实施例中，再循环废气与环境空气的混合物可被用作载气。此处，再循环废气在点54处从排出路径中抽取出来，所述点位于空气加热器53的上游(参见图1)，所述空气加热器被用来对进入空气歧管51和52的空气进行加热并被用来对行进至下游颗粒收集装置(PCD)60的排出气体进行冷却。再循环废气随后在混合器55中与环境空气混合。该环境空气可由专用空气风机40供应，所述专用空气风机与风门42相结合地被设置，如上所述。被设置在混合器55下游的热电偶56可作为反馈回路的一部分来测量载气的温度，所述反馈回路被用来控制载气的温度。附加的再循环废气清除设备如旋风器或过滤器(未示出)可用来减少在混合器55上游载入的再循环废气颗粒。由于再循环废气的温度可以为约600华氏温度，且环境空气与再循环废气的混合比为约3∶1，因此生物物质载气温度将为约200华氏温度且处在低于生物物质点燃温度的安全温度下。

利用再循环废气作为载气使得能够对生物物质进行预热且至少对所述生物物质进行部分预干燥。被预热且被预干燥的生物物质燃料在被注入再烧区域26内时将更易于进行反应。此外，利用再循环废气的热含量进行燃料预热可提高炉20的整体效率。此外，在空气加热器53的上游抽取再循环废气使得降低了通过颗粒收集装置60的总的排出气体流速且可提高颗粒控制效率。

在本发明的进一步的实施例中，其中热电偶56被用于反馈回路中以便控制载气的温度，可选择单个控制设定点温度作为载气温度。另一种可选方式是，可选择多个不同的设定点温度，且每个设定点与特定的生物物质给料相匹配。即，随着与炉20一起使用的生物物质的类型在炉20的运行过程中发生的变化，可选择载气的不同设定点温度。

根据本发明的实施例，由于炉20的再烧区域26能够根据例如锅炉效率、污染物排放、蒸汽产率等的多个参数从而通过生物物质、粉煤或弹性量的生物物质与粉煤的混合物而进行运转，因此，可解决与生物物质燃料的可得性、可变性和可靠性相关的多个问题。

例如，为了实现高水平的氮氧化物排放物的减少，可需要大量生物物质用于再烧区域26的再烧燃料且可超过每年200,000吨生物物质。供应这种量的生物物质取决于季节的可得性且会经历供应的中断。因此，在本发明的一个实施例中，通过例如进行一周的生物物质供应来满足对生物物质进行有限现场贮存的需要。

在这种情况下，当生物物质可用于再烧燃料中时，再烧燃料可仅包括生物物质以便减少再烧区域26中的氮氧化物排放物。当无法保持生物物质的供应时，再烧燃料可包括弹性量的生物物质与煤的混合物。如果生物物质的供应物被耗尽，则再烧燃料可仅包括煤。此外，生物物质和煤的这种弹性量可与可得生物物质的量无关地产生变化以便根据变化的炉20的状态来改变锅炉性能。例如，如果被供应的生物物质具有高湿气含量，则锅炉10中的蒸汽产率可降低，导致出现不希望的锅炉降级。此处，如果用煤代替高湿气生物物质的一部分，则可减轻或避免对炉20产生负面影响。

为了实现这些目的，可采用控制系统(未示出)来调节再烧燃料混合物中的生物物质与煤的比例。例如，参见图4，被包括在生物物质供应系统30中的速度可变的供给器38的运行速度可对进入喷射器39内的生物物质流速进行调节。结果是，在喷射器39中混合的再烧燃料将具有更低的生物物质浓度。相似地，可通过被包括在煤供给系统110中的供给器116和/或被联接至煤供给系统110的风门103来控制煤的流速。同样地，供给器116的运行速度或风门103的设置可对被供应至再烧注射器41的煤的量进行调节。结果是，可调节再烧燃料中的煤的浓度。

控制系统还可确保唯一地将煤或生物物质供应给炉20的再烧区域26。例如，在生物物质供给系统30处于离线状态时，炉20可仅通过被用作第一燃料和再烧燃料的煤来运行。此外，控制系统可响应于基于来自热电偶57(参见图4)的反馈的运行考虑因素而改变再烧燃料中的生物物质或煤的比例，所述热电偶位于出口12中的烧尽区域27的下游。

此外，如图5所示，包括三通阀的转向器43可允许将生物物质/载气混合物中的所有或一部分转向至燃烧器29的子设备，所述燃烧器包括第一燃烧器23和第二燃烧器24中的至少一个燃烧器。这种转向器43将被设置在混合物55和喷射器39的下游且可提供炉20的附加弹性运行。即，如果希望暂时中断再烧运行(例如，为了对再烧注射器41进行维护或修补)，同时仍利用包括生物物质的燃料来减少来自炉20的排放物，则生物物质/载气混合物可被供应至主燃烧器23和24中的一个或多个主燃烧器并在主燃烧区域25中进行燃烧。

在这种情况下，由从转向器43延伸至阀44和燃烧器29的子设备的虚线所表示的被转向的生物物质/载气混合物可通过燃烧器29的子设备被单独点燃或者与煤燃料相结合地被点燃。当生物物质/载气混合物要被单独点燃时，通过阀44切断来自燃烧器29的子设备的煤燃料供应(如箭头所示，C)。当煤和生物物质/载气混合物要被一起点燃时，可需要燃烧器29的子设备中包括复合燃烧器，如同心燃烧器，其中煤被供给通过中心管道且生物物质被供给通过同心环形管道。另一种可选方式是，煤和生物物质/载气混合物还可在燃烧器29的子设备的上游被预混合或者在燃烧器29的子设备本身的内部被预混合。可采用以一排接一排的顺序对第一燃烧器23和第二燃烧器24进行改型的方式来制备燃烧器29的子设备从而用于转向的生物物质/载气混合物。

现在参见图5和图6，在本发明的实施例中，当排出气体行进通过排出路径13和排出系统14时，由于利用生物物质作为再烧燃料或第一燃料，因此排出气体的质量流速可增加。此外，炉20的再烧区域26的再烧运行倾向于改变锅炉10中的温度分布，且可导致改变排出气体的温度。因此，由生物物质提供动力的炉20的运行可对下游的锅炉设备如颗粒收集装置60产生负面影响。

根据本发明的一个实施例，颗粒收集装置60可包括静电除尘器(ESP)。由于生物物质可具有比煤更低的灰分含量，因此认为利用生物物质作为再烧区域26中的再烧燃料将减少在颗粒收集装置60的入口处载入的灰。然而，由于将生物物质用作再烧燃料可导致提高排出气体的流速，因此可导致降低颗粒收集的效率。在颗粒收集装置60的入口处的排出气体温度可由于炉20的运行而升高或降低。此处，颗粒收集装置60(即静电除尘器)的运行参数，如电压、电流密度、振打频率(rapping frequency)等可被调节以便解决由炉20的运行带来的影响。特别地，颗粒收集装置60的控制装置可被联结至控制系统以便整合炉20与颗粒收集装置60的运行。

燃烧生物物质所形成的灰的化学和物理性质与燃烧煤所形成的灰的那些性质明显不同。因此，认为用生物物质燃料来代替煤燃料的一部分将影响灰的形成。即，由于包括生物物质的再烧燃料被注入位于主燃烧区域25下游的再烧区域26内。因此认为生物物质的燃烧将影响炉20中灰的形成。为此目的，如图5和图6所示，可包括吹灰器、射声器、脉冲爆炸清除器(pulsed detonation cleaner)等的沉积物控制元件70-79通常位于热传递表面80-85，如过热器和再热器管束和压板，附近的沉积物控制位置处。

可随后基于再烧燃料的类型、量和化学性质来调节沉积物控制元件70-79的运行，原因在于煤颗粒的轨迹不同于生物物质颗粒的轨迹从而使得灰沉积物特性和形成速率将呈现出不均匀的空间分布。例如，如果认为生物物质的灰颗粒将主要聚集在排出路径13中的剖面A-A的上部部分中，而煤灰颗粒将主要集中在剖面的下部部分中，则与沉积物去除元件76相比，对于沉积物去除元件74而言，可采用不同的沉积物去除频率以便实现最优的沉积物控制。可基于主燃料(即粉煤)和再烧燃料(即煤/生物物质混合物)的特性以及炉20的运行条件来确定和控制用于每个沉积物去除元件或其子元件的沉积物去除频率。

该书面说明利用了示例来披露本发明，这包括最佳模式，且使得本领域的技术人员能够实施本发明，这包括制造和利用任何装置或系统并实施任何包括的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，且可包括本领域的技术人员易于作出的其它示例。如果这种示例具有并非不同于所述权利要求书的文字语言的结构元件，或如果这种示例包括与所述权利要求书的文字语言差别不大的等效结构元件，则所述其它示例旨在落入权利要求书的范围内。

零件列表

 

锅炉10坩埚11出口12排出路径13排出系统14炉20前壁21后壁22第一燃烧器23第二燃烧器24主燃烧区域25再烧区域26烧尽区域27排出烟囱28燃烧器的子设备29生物物质供应系统30生物物质贮存装置31输送器32筛选装置33尺寸减小装置34输送器35储料器36气塞37螺旋传输器(即速度可变的供给器)38喷射器39

 

专用空气风机40再烧注射器41风门42转向器43阀44风机50空气歧管51空气歧管52空气加热器53排出路径中的点54混合器55热电偶56热电偶57颗粒收集装置(PCD)60沉积物控制/去除元件70-79热传递表面80-85研磨机101风机102风门103增压空气风机104风门(流量控制元件)105过烧空气(OFA)注射器106过烧空气(OFA)注射器107煤供给系统110煤堆111带式供给器112煤研磨器113带式供给器114暂时煤贮存仓115供给器116煤供给管线C

 

过烧空气OFA