工业炉中固体燃料燃烧的方法和系统.pdf

本发明涉及工业炉中固体燃料燃烧的方法和系统。工业炉中的炉料通过气态易燃物的燃烧被加热，该气态易燃物由预燃烧器中固体燃料和氧化剂的预燃烧产生，所述预燃烧器收集固体燃料中的以炉渣层形式的大多数灰分。

1.  一种用于加热工业炉的固体燃料燃烧方法，包括如下步骤：
提供一工业炉，所述工业炉包括预燃烧器和由炉壁所限定的主燃烧空间，主燃烧空间包括待加热的炉料；
在预燃烧器中燃烧固体燃料和氧化剂以提供灰分和气态易燃物，来自固体燃料和氧化剂燃烧的热量使大部分灰分熔融为炉渣，气态易燃物流出预燃烧器并进入主加热室；
从预燃烧器中排出炉渣；
在主加热室内燃烧气态易燃物从而加热炉料。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述炉料包括玻璃。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述炉料包括铝。

4.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述炉料包括再生铜、再生铅、再生钢，或再生钢和熔融钢的混合物。

5.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化剂选自包括空气、空气和O₂、O₂、以及O₂和循环烟气的组。

6.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固体燃料是煤。

7.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
在来自炉的热烟气和氧化剂之间进行热交换，以提供经冷却的烟气和经预热的氧化剂；以及
将经冷却的烟气和经预热的氧化剂注入预燃烧器。

8.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括用喷枪直接向主燃烧空间注入附加氧化剂的步骤。

9.  根据权利要求7所述方法，其特征在于，还包括如下步骤：
通过与预燃烧器进行热交换来预热附加氧化剂；以及
从邻近预燃烧器一外壁的预热空间向主燃烧空间注入经预热的附加氧化剂。

10.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
通过与预燃烧器进行热交换来预热水；以及
通过在蒸汽发生器中与热烟气进行热换热来从经预热的水生成蒸汽。

11.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
氧化剂在预燃烧器中在包括氧化剂和固体燃料的第一流束、包括氧化剂的第二流束、包括氧化剂的第三流束、以及氧化剂的附加流束中燃烧；
第一流束被切向地注入预燃烧器的上游部分以形成涡流；
第二流束被切向地注入预燃烧器的下游部分以形成涡流，该涡流的直径比第一流束的初始涡流大；
第三流束被沿着第一流束的涡流的轴线轴向地注入预燃烧器的中心；以及
氧化剂的附加流束由喷枪直接注入主燃烧空间，并在其中与气态易燃物一起燃烧。

12.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
氧化剂在预燃烧器中在包括氧化剂和固体燃料的第一流束、包括氧化剂的第二流束、包括氧化剂的第三流束、以及氧化剂的附加流束中燃烧；
第一流束被切向地注入预燃烧器的上游部分以形成涡流；
第二流束被切向地注入预燃烧器的下游部分以形成涡流，该涡流的直径比第一流束的初始涡流大；
第三流束被沿着第一流束的涡流的轴线轴向地注入预燃烧器的中心；以及
氧化剂的附加流束在被注入主燃烧空间之前通过与预燃烧器的热交换被预热，该氧化剂的附加流束与气态易燃物在所述主燃烧空间内一起燃烧。

13.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述预燃烧器竖直定向；
所述气态易燃物被分成多个流束；以及
气态易燃物的所述多个流束的每一个被注入主燃烧空间的不同部分。

14.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还向预燃烧器中注入灰分熔点降低剂，与不具有灰分熔点降低剂时的灰分熔点相比，该灰分熔点降低剂用于降低预燃烧器中灰分的熔点，该灰分熔点降低剂或者与固体燃料预混合，或者与固体燃料分开地注入预燃烧器中。

15.  一种燃烧固体燃料的工业炉，包括：
固体燃料源；
氧化剂源；
预燃烧器，该预燃烧器具有与固体燃料源和氧化剂源流体连通的进口和用于气态易燃物流的出口；以及
由炉壁限定的主燃烧空间，该主燃烧空间与预燃烧器出口流体连通。

16.  根据权利要求15所述的燃烧固体燃料的工业炉，其特征在于，还包括热交换器，该热交换器适于在来自主燃烧空间的热烟气与来自氧化剂源的氧化剂之间进行热交换。

17.  根据权利要求15所述的燃烧固体燃料的工业炉，其特征在于，所述固体燃料是煤。

18.  根据权利要求15所述的燃烧固体燃料的工业炉，其特征在于，所述氧化剂选自包括空气、空气和O₂、O₂、以及O₂和循环烟气的组。

19.  根据权利要求15所述的燃烧固体燃料的工业炉，其特征在于，还包括蒸汽发生器，该蒸汽发生器适于通过在经预热的水的流束和来自主燃烧空间的热烟气之间进行热交换而产生蒸汽。

20.  根据权利要求15所述的燃烧固体燃料的工业炉，其特征在于，所述预燃烧器适于接收包括氧化剂和固体燃料的第一流束、包括氧化剂的第二流束和包括氧化剂的第三流束，第一流束被切向地注入预燃烧器的上游部分以形成固体燃料和氧化剂的直径较窄的涡流，第三流束被沿着第一流束的涡流的轴线轴向地注入预燃烧器中，第二流束被注入预燃烧器的下游部分以形成氧化剂的直径较大的涡流。

21.  根据权利要求20所述的燃烧固体燃料的工业炉，其特征在于，还包括适于将氧化剂直接注入主燃烧空间的喷枪。

工业炉中固体燃料燃烧的方法和系统
技术领域
本发明的方法和系统涉及工业炉中用于加热炉料的固体燃料的燃烧。
背景技术
煤是世界上一种主要的燃料来源。当今有不同的设备和方法在燃烧煤方面可用。然而，由于灰分对工业过程的潜在影响，煤在工业炉中的应用受到限制。当今在锅炉工业中存在燃烧低灰分煤的现有技术。PCT专利申请WO2008/007016A2公开了一种采用氧化剂和至少一种主要是惰性/不活泼气体的燃料燃烧方法，同时公开了一种适用于执行该方法的燃烧器。
附图说明
为了进一步了解本发明的本质和目的，以下结合附图给出详细说明以供参考，其中相同或相似的附图标记指代相同的元素。
图1为工业炉中固体燃料燃烧的方法和系统的第一实施例的示意图。
图2为工业炉中固体燃料燃烧的方法和系统的第二实施例的示意图。
图3为工业炉中固体燃料燃烧的方法和系统的第三实旋例的示意图。
图4为工业炉中固体燃料燃烧的方法和系统的第四实施例的示意图。
图5为工业炉中固体燃料燃烧的方法和系统的第五实施例的示意图
图6A为工业炉中固体燃料燃烧的方法和系统的第六实施例的第一变型的示意图。
图6B是第六实施例的第二变型的示意图。
图6C是第六实施例的示意性的正视图，示出了第一和第二注入流向。
图7A是工业炉中固体燃料燃烧的方法和系统的第七实施例的示意图。
图7B是第七实施例的一种变型的示意性的俯视图，其中来自预燃烧器的高温气体经多个入口点喷入炉中。
具体实施方式
由于灰分对生产的潜在影响，固体燃料在工业炉中的应用受到限制。尤其是例如用于铝、玻璃、再生铜或再生铅的工业炉更是如此，其中太多灰分的存在会给被加热或融化的炉料带来有害的影响。本发明的方法和系统在炉前分离了大多数的灰分，显著降低了灰分对工业炉过程的影响。这不仅使得能够在工业炉中采用较便宜的燃料比如煤(例如碎煤)，而且显著降低了过程中氮氧化物(NO_x)的排放。
本发明提出了一种在工业炉中燃烧固体燃料例如煤的革新的方法和系统。固体燃料、氧化剂和可能需要的烟气通过该提出的方法被引入工业炉。通过在预燃烧的产品进入炉前分离“预燃烧器”中熔融状态的炉渣，该提出的方法能够使固体燃料完全燃尽。因此，大多数初始燃料灰分可以作为炉渣被移出并从出渣口排出处理。这促进了工业炉中固体燃料例如煤的利用，而由于灰分对过程的影响，上述固体燃料是难以利用的。
本发明的方法和系统将产生灰分的区域和热烟气加热产品(炉料)的区域分离。因此，在固体燃料火焰中生成的大多灰分在进入工业炉前很容易被作为炉渣捕获。通过用氧和再循环烟气代替燃烧所需要的空气，NO_x排放也被显著减少。
固体燃料可以是煤、石油焦、或生物质。输送固体燃料到预燃烧器的输送介质可以是空气、氧气、空气和氧气的混合物、或氧气和来自炉中完全燃烧的循环烟气的混合物。本领域的普通技术人员应该理解，术语“氧气”指的是纯氧气或利用空气低温蒸馏、变压吸附、变温吸附、变真空吸附或气体分离膜通过空气分离设备产生的氧气。在预燃烧器中，氧化剂可以被引入一个、两个或乃至三个部分中。炉中固体燃料的完全燃烧所需的氧化剂的剩余部分可以是注入炉中的空气或空气和氧气的混合物。
图1所示的是第一实施例。固体燃料(例如煤、石油焦或生物质)和输送介质的混合物1与氧化剂3(例如空气、氧气、氧气和空气、或氧气和烟气)一起被引入预燃烧器5。输送介质优选地是空气或其中混有或不混有氧气的循环烟气。碎煤可随输送介质根据煤质以涡旋状被注入到预燃烧器5中。许多大块煤颗粒陷入熔化的炉渣7，并在其中使碳完全燃尽，留下灰分装满炉渣层7。燃料的大多数灰分在预燃烧器5中变成炉渣7并由出渣口9排出。气态易燃物11带有按固体燃料重量20-30％的灰分含量进入主燃烧空间12(由炉壁13限定)。换句话说，大于固体燃料重量20-30％的是灰分。仅仅灰分总量的一部分随着气态易燃物11进入主燃烧空间12。气态易燃物11中的灰分含量对应于固体燃料重量的20-30％。剩余的灰分能够从炉或烟气中移出。预燃烧器5中的强幅射热和高温(优选地大于1000℃)提供了适当的环境以使灰分熔化为液体炉渣7。除了灰分和炉渣7之外，预燃烧器的产物主要由气态易燃物组成，所述气态易燃物在主燃烧空间12中燃烧从而完成燃烧过程。燃料的一部分热量在预燃烧器5中释放以促进灰分向炉渣7转变。当O₂作为氧化剂时，炉燃烧空间12中易燃物燃烧产生的烟气与易被收集的CO₂一起被集中。本领域的普通技术人员应理解，固体燃料和输送介质的混合物1被认为是第一气流，而氧化剂3被认为是第二气流，尽管氧气、或氧气和空气的混合物、或氧气和循环烟气的混合物都可以用来代替用于输送介质和氧化剂3之任一或两者的空气。
图2所示为第二实施例。炉的烟气15可以再循环以输送煤0和调节预燃烧器5与炉中的燃烧温度。这是通过将烟气15引至热回收和除尘单元17来实现的，在热回收和除尘单元17中，氧化剂3被加热，烟气15被冷却。冷却的烟气15被分成两部分。第一部分21被引入一烟囱。第二部分23被引入预燃烧器5，并在其中作为输送介质将煤0输送到预燃烧器。该烟气部分23还可用于增加预燃烧器5中的湍流以提高渣化。氧化剂3的预热用来提高燃烧过程效率。图2所示为利用热回收和除尘单元17的热的烟气15预热氧化剂3，任何其它可利用的热源都能够被用来预热氧化剂3。
图3所示为第三实施例。氧化剂3可以被分开。流束之一能够通过引射器8直接地注入炉。由此，预燃烧器5内的氧化剂3和固体燃料的反应在燃料充足的情况下进行。然后，气态易燃物在主燃烧空间12内燃尽，氧化剂从引射器8注入。
图4所示为第四实施例。在预燃烧器5内生成的热量可以用来预热在预热空间26内的氧化剂25的不同部分，并且将预燃烧器5的温度控制在要求范围内。
图5所示为第五实施例。由预燃烧器5内的固体燃料和氧化剂3燃烧产生的热量以及来自炉中的烟气15所含的热量能够用来在蒸汽发生器29中产生蒸汽。蒸汽可以用作生产用蒸汽，或可选择地可以通出气轮机33使蒸汽膨胀产生电能。冷却的烟气31被送入烟囱。水27可被预燃烧器5预热，然后被送入蒸汽发生器29。
图6A所示为第六实施例的第一变型。固体燃料完全燃烧所需要的氧化剂的总量被分割且被引入4个不同的位置：
-氧化剂和固体燃料的第一流束21被切向引入预燃烧器5内以形成涡流，
-氧化剂的第二流束通过第二引射装置26也被切向地引入预燃烧器5以形成涡旋，所述涡旋优选地与第一流束21所形成的涡旋方向相同，
-氧化剂的第三流束24被轴向地引入预燃烧器5的中心，以及
-附加氧化剂通过喷枪8被直接地注入主燃烧空间12，并在其中与离开预燃烧器的气态易燃物11燃烧。
氧化剂总量的大部分作为第二流束被引入。因为包含固体燃料颗粒的第一流束21和第二流束都被切向地引入，在预燃烧器5中形成环形的涡旋运动。气态易燃物11离开预燃烧器5，而大颗粒由于离心作用移动到预燃烧器5的周边。预燃烧器5内的温度保持足够高温(优选地＞1000℃)，以便使生成的灰分颗粒熔化，并在预燃烧器5的周边形成炉渣层7。颗粒被陷在熔化的炉渣层7中，因此使燃烧完全并增加炉渣7的厚度。通过从主燃烧空间12上游的排渣口9排出增加的炉渣7，炉渣层7的厚度能够保持相对恒定。预燃烧器5中的燃烧能够在燃料充足的情况下执行。气态易燃物与经由喷枪8直接注入炉中的附加氧化剂反应。
附图6B所示为第六实施例的第二种变型。固体燃料充分燃烧所需的氧化剂总量被分割并被引入4个不同的位置：
-氧化剂和固体燃料的第一流束21被切向地引入预燃烧器5以形成涡流，
-氧化剂的第二流束通过第二氧化剂引射装置26也被切向地引入预燃烧器5以形成涡旋，所述涡旋优选地与第一流束21所形成的涡旋方向相同，
-氧化剂的第三流束24被轴向地引入预燃烧器5中心，以及
-附加氧化剂38在预燃烧器5的壁和第二流束引射装置26之间的空间内被预热，然后被注入主燃烧空间12，并在其中与从预燃烧器5排出的气态易燃物11一起燃烧。
与图6A变型相似，氧化剂总量的大部分作为第二流束被引入。由于包含固体燃料颗粒的第一流束21和第二流束都被切向地引入，在预燃烧器5中形成环形涡旋运动。气态易燃物11离开预燃烧器5，而大颗粒由于离心作用移动到预燃烧器5的周边。预燃烧器5内的温度保持足够高温(优选地＞1000℃)，以便使生成的灰分颗粒熔化并在主燃烧器5的周边形成炉渣层7。颗粒陷入熔化的炉渣7层内，由此使燃烧完全并增加炉渣7的厚度。通过从主燃烧空间12上游的排渣口9排出增加的炉渣7，炉渣层7的厚度保持相对恒定。预燃烧器5中的燃烧在燃料充足的情况下执行。气态易燃物与被燃烧器5预热的附加氧化剂38反应。
在第六实施例的任一变型中，预燃烧器热量也可以传递给冷却水，上述冷却水随后通过与烟气热交换转变为蒸汽。生成的蒸汽可以用作生产用蒸汽，也可以在汽轮机中膨胀以产生电能。
图6C以截面示意图示出了在第六实施例的第一和第二变型中的第一流束21、第二流束以及第三流束24的流向。第三流束24被轴向地注入。第一流束21沿切向注入预燃烧器5的上游的窄直径部分，以形成直径相对较小的涡流。第二流束经由第二氧化剂引射装置26沿切向注入预燃烧器5的下游的大直径部分，以形成直径相对较大的涡流。因此，第三流束24形成被第一流束21的涡流环绕的流动，而第一流束的涡流被第二流束的涡流环绕。
图7A所示为第七实施例。包含固体燃料和输送介质(例如O₂、O₂和空气、或O₂和烟气)的第一流束21被切向地引入竖直定向的预燃烧器5以形成涡流。包含氧化剂的第二流束经由第二氧化剂引射装置26也被切向地引入在轴向上的预燃烧器5。可选的第三流束24可轴向朝上地注入预燃烧器5。辅助氧化剂也可通过喷枪直接地注入炉中的主燃烧空间12。气态易燃物11通过管道10从预燃烧器5流入炉内的主燃烧空间12。
图7B所示为第七实施例的一种变型，其中单一大型预燃烧器5被用来部分地燃烧固体燃料以及收集整个炉的灰分。来自预燃烧器5的气态易燃物11被分配到炉的主燃烧空间12中的不同部分，并向每个部分添加附加氧化剂以使燃烧完全。相比于锅炉领域中对单锅炉采用多个排渣预燃烧器的现状，第二种变型具有以下好处。相比多个较小单元，大型单一单元的炉渣更好分离和处理。预燃烧器的热损失能够最小化。采用单个大型预燃烧器代替多个小预燃烧器更经济。预燃烧器的维修更便宜。
在第七实施例中，预燃烧器5竖直地定向，以使从气态易燃物11中分离炉渣7的流动更容易。其可以竖直向上定向或竖直向下定向。无论向上还是向下定向，炉渣7由于重力而向下流动并在预燃烧器5的底部被收集。炉渣7在竖直预燃烧器5的壁上的腐蚀是均匀的。这意味着能够延长耐火材料的寿命。在预燃烧过程中，一些热量被释放，并优选地被收集。第二氧化剂或经由喷枪直接地注入炉中的氧化剂可被预热。来自预燃烧器5的热量还能够传递到冷却水，上述冷却水随后通过和烟气热交换变成蒸汽。生成的蒸汽能够用作生产用蒸汽或在汽轮机中膨胀以产生电能。
在每个第七实施例中，在预燃烧器5需要维修或更换而停止使用的情况下，可以使用备用预燃烧器。备用预燃烧器可以有比预燃烧器5低的功率(例如为预燃烧器名义功率的50％)。
在每个第七实施例中，可在预燃烧器中注入灰分熔点降低剂。其可以与固体燃料预混合，或者可以与固体燃料分离地注入预燃烧器。在后一种情况下，其可以随氧化剂或冷却的烟气注入。与不具有灰分熔点降低剂的灰分熔点相比，灰分熔点降低剂用来降低预燃烧器中灰分的熔点。这将促进液体炉渣的形成。适合的灰分熔点降低剂包括但不限于氧化钠(Na₂O)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化钾(K₂O)、氧化硼(B₂O₃)、氧化钙(CaO)、以及氧化铁(Fe₂O₃)。
已经描述了实现本发明的优选的过程和装置。容易理解，本领域技术人员将能够对上述实施例进行变型和修改而不脱离本发明的实质和范围。前面所述仅为示意性的，也可以使用集成的过程和设备的其它实施例而不脱离本发明的由所附权利要求限定的真实范围。