物質的燃燒方法及其系統的制作方法

專利名稱：物質的燃燒方法及其系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種物質的燃燒方法及其系統，尤其涉及一種將可燃物質經 氣化后轉換成氣態可燃氣的燃燒方法及其系統。
背景技術：
當今人類取得能源的方式之一為通過燃燒可燃物產生熱能，其所追求的 目標在于在燃燒過程中提高熱能的利用效率并降低因燃燒所產生的污染物。
理論上，如果要求高的熱效率，那么過剩反應氣體(excess oxidant,如 純氧、空氣等)的量越低越好，以降低過剩反應氣體所衍生的排氣熱損。但 過低的過剩反應氣體量易導致燃料燃燒不完全，不僅造成燃料的損失，也會 導致產生如碳氫化合物(HC)、 一氧化碳(CO)等的污染物。另外，理論 絕熱溫度隨過剩反應氣體量的增加而降低，高熱值的燃料在過低的過剩反應 氣體量下燃燒，極易因高溫而產生出大量的氮氧化物(NOx)。
舉例來說，當燃料(如天然氣、燃油、粉煤等)極易與反應氣體混合時， 為降低排氣熱損，往往給予較低的過剩助燃空氣，但燃燒產物的溫度較高， 導致產生氮氧化物污染物。
當燃料(例如塊煤或廢棄物等)不易與反應氣體混合時，為使燃料充分 燃燒，往往供給大量的過剩氣體，因此增加了排氣熱損并降低了熱效率。例 如焚化爐為使廢棄物能充分地燃燒， 一般反應氣體量至少達到理論需氧量的 兩倍。
另外，燃燒過程所產生的飛灰往往含有一些有害物質，如果要降低污染 性與提高材料再利用的可行性，必須要使飛灰熔融形成融渣，燃燒溫度需提 高至灰份熔點以上(一般約達1300 150(TC)。在此高溫下，若同時存在氧 氣與氮氣將會產生氮氧化物(N0X)污染物。
以廢棄物焚化爐為例，為使廢棄物充分燃燒，必須供給大量的助燃空氣， 因此無法使燃燒排氣的溫度(約S00 100(TC)達到使飛灰熔融的溫度。如200610143692.0
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果要使飛灰熔融，必須在焚化爐后設置熔融爐，加入額外的輔助燃料，以提 高燃燒產物的溫度。這種方式需要額外的外來能源，同時也因在存在過剩空 氣的情況下進行操作，而衍生出大量的氮氧化物污染。
公知技術的燃燒模式在熱效率與降低污染物之間往往無法兼顧。因此， 有必要提供一種物質的燃燒方法及其系統，以改善現有技術所存在的問題。

發明內容
本發明的目的在于提供一種物質的燃燒方法，可在極低的過剩反應氣體 量下達到高燃燒效率與高熱效率。
本發明的另 一 目的在于使可燃物的飛灰得以高溫熔融，且不會因高溫產 生氮氧化物污染物。
本發明的又一目的在于提供一種物質的燃燒系統，可在極低的過剩反應 氣體量下達到高燃燒效率與高熱效率。
為實現上述目的，本發明的物質的燃燒方法包括下列步驟將物質在低 于其理論需氧量下加入第一反應氣體，以產生底灰與第一產物，該第一產物
包括第一氣態物質與飛灰；將第一產物在低于其理論需氧量下加入第二反應
氣體，以將第一產物的溫度提高至飛灰的熔點以上，以產生熔渣以及第二產
物，該第二產物包括第二氣態物質；將該第二產物至少進行一次熱回收，以 及將該第二產物至少進行一次氧化燃燒，以實現該第二產物實質上的充分燃 燒。其中，在最后一步驟的過程中不會大量產生氮氧化物。
為實現上述的目的，本發明的物質燃燒系統包括氣化爐、熔融爐、至少 一個熱回收裝置、以及至少一個反應氣體供應裝置。其中，氣化爐將物質在 低于其理論需氧量下加入第一反應氣體，以產生底灰與第一產物，該第一產 物包括第一氣態物質與飛灰。該熔融爐將第一產物在低于其理論需氧量下加 入第二反應氣體，以將該第一產物的溫度提高至飛灰的熔點以上，以產生熔 渣以及第二產物，該第二產物包括第二氣態物質。至少一個熱回收裝置用以 進行熱回收。至少一個反應氣體供應裝置用以實現第二產物實質上的充分燃 燒，且不會大量產生氮氧化物。
本發明的有益技術效果在于，不僅可使物質有效地完全燃燒，而且當產 生過剩反應氣體時，其燃燒產物的溫度也可降低至生成氮氧化物的溘度以 下，由此達到高的熱效率，并能有效控制污染物的產生。


圖1為某物質的燃燒產物溫度與反應氣體當量比的關系圖； 圖2為本發明的物質的燃燒系統的第一實施例的示意圖；以及 圖3為本發明的物質的燃燒系統的第二實施例的示意圖。
其中，附圖標記說明如下
1 物質的燃燒熱利用系統 10 氣化爐
20熔融爐 31、 32 熱回收裝置
41、 42、 43、 44、 45 反應氣體供應裝置
50裝置 81 燃料進料器
82震動篩選機 83 磁選機
84、 85儲存槽 86 熔渣出口
87 冷卻水槽
具體實施例方式
為能更好地理解本發明的技術內容，特以優選的具體實施例為例對本發 明說明如下。
以下請一并參考圖1至圖2，其示出了本發明的第一實施例。圖1為某 物質(熱值LHV約3,300 kcal/kg)的燃燒產物溫度與反應氣體當量比的關系 圖。圖2為本發明的物質的燃燒系統1的示意圖。
請先參考圖1。在圖1的關系圖中，橫軸表示反應氣體當量比，反應氣 體當量比為實際反應氣體量與理論需氧量的比值(ER)。縱軸表示燃燒產物 的溫度，以攝氏溫度表示。當ER-1時表示實際反應氣體量等于理論需氧量， 燃燒產物的溫度可達到最高的理論燃燒溫度。當EIK1時表示供給的反應氣 體量小于理論需氧量，此時燃料無法完全燃燒，燃燒產物的溫度隨ER的增 加而增加。當ER〉1時表示實際反應氣體量大于理論需氧量，此時過剩的反 應氣體會使燃燒產物的溫度降低，燃燒產物的溫度隨ER增加而降低。
圖1共有三條曲線，表示在不同狀態下某可燃物質的燃燒產物與ER的 關系圖，其中最上方的曲線代表該可燃物在絕熱狀態下的溫度曲線，第二條
曲線代表第一條曲線經熱回收裝置降低燃燒產物溫度后的溫度曲線，第三條 曲線代表第二條曲線再次經熱回收裝置降低燃燒產物溫度后的曲線。圖中
Ql、 Q2、 Q3、 Q4與Q5分別表示A點之前、A點至B點之間、B點至C點 之間、D點至E點之間，以及F點至G點之間所獲得的反應氣體量。圖中所 示的斜線區域表示氮氧化物生成區，該區域形成于高溫有氧的環境下。
接著，請一并參考圖1與圖2，其中圖1的A點至G點與圖2的A點至 G點為完全對應的關系。本發明可處理各類可燃物質，包括固態、液態及氣 態可燃物。不同性質的物質經由適當的燃料進料器S1輸送進入氣化爐10。 舉例來說，輸送固體燃料的燃料進料器81可為螺旋輸送器，輸送液體及氣 態燃料的燃料進料器81可為噴嘴。氣化爐10位于圖2中A點至B點之間的 相對應的位置處，該氣化爐可為各種形式的爐床，舉例來說，氣化爐10可 為流體化床。
當固態或液態的可燃物在ER<1的情況下，通過反應氣體供應裝置41 加入反應氣體量為Ql的反應氣體(如氧氣、空氣、水蒸氣等)后，達到圖 1與圖2中的A點。其反應的過程為物質的其中一部分氧化并釋放出化學 能，同時因高溫將無法氧化的物質裂解轉換成氣態物質。如圖1所示，當所 給予的反應氣體的反應氣體量Ql越高時，產物的溫度也會越高，可視可燃 物的性質調整反應氣體量Q1以控制進入氣化爐IO的反應溫度。 一般來說， 進入氣化爐IO (進入A點)的溫度介于500。C至90(TC之間。物質經氣化爐 IO作用后產生底灰與第一產物，第一產物包括第一氣態物質與飛灰。物質經 氣化后大部分轉換成低分子量的氣體，如CO、 C02、 H2、 H20、 CH4、 N2等， 以及小部分的焦油(Tar)、未燃碳及灰份等。這些物質會隨氣流的方向流出 氣化爐10，而較大的未燃碳及不可燃物(如金屬、砂石等)會留在氣化爐 IO的底部。殘留的較大的未燃碳會繼續與注入的反應氣體(反應氣體量Q1) 繼續反應，轉換成氣態物質，或直到隨燃燒產物流出氣化爐10為止。無法 反應的不可燃物質(統稱為底灰)在該高溫狀態下可有效地與可燃物質分離， 可在氣化爐10底部排出，接著經震動篩選機82及磁選機83分選后分別儲 存于儲存槽84、 85，較細的物質大多為可循環再使用的床砂，對于其余粒徑 較大的物質，可利用適當的分選設備，例如磁選機及渦電流分選機等設備， 將燃料中所含的金屬物質分選出來。由于該狀態下處于缺氧的環境中，所以 這些金屬物質不易被氧化成金屬氧化物，而極具回收價值。其它剩余的不可 燃物質為非金屬的無機物，也可回收當成級配再利用。
如圖2所示，在氣化爐10的末端(位于A點至B點之間靠近B點處) 可通過反應氣體供應裝置42送入適量的反應氣體(反應氣體量Q2),此時 部分氣態可燃物會與注入的反應氣體進一步發生反應，可提高生成物的溫 度。并可將高分子量的氣態物質、焦油及未燃碳等物質有效地進一步轉化成 低分子量氣態的形式。此時為避免灰份軟化在爐壁上而結渣，氣化爐10內 的溫度通常保持在50(TC至IOO(TC之間。
接著將氣化爐10出口 (于圖2的B點)的高溫可燃氣體導入高溫的熔 融爐20。熔融爐20位于圖2中B點至C點之間的相對應的位置處，可燃氣 體進入熔融爐20后可在其上方通過反應氣體供應裝置43 (位于圖2的B點 至C點之間)注入適量的反應氣體(反應氣體量Q3)，利用控制注入的反 應氣體量，可控制熔融爐20的溫度，將反應后的產物溫度提高到灰份熔點 以上(如圖1的C點)，以產生熔渣以及第二產物，第二產物包括第二氣態 物質。該步驟不同于現有技術中燃燒熔融爐在過剩氣體的情況下(圖1的C' 點)進行操作。當燃料具有一定的熱值(約2,000 kcal/kg以上)時，以空氣 作為反應氣體可控制熔融爐20在ER<1的情況下達到飛灰熔點以上的溫度， 飛灰等固態污染物可因此被熔融形成灰份產物(例如熔渣)。請參考圖1， 在本實施例中，為了達到飛灰熔點以上的溫度，將溫度升高至C點，此時的 ER值約為0.6，溫度約為1400°C。與公知技術相比，其到達圖1的C，點時 的ER值約為1.4，溫度約為1400°C。在相同的滯留時間下，因反應氣體量 的不同，本發明的熔融爐20的體積不到現有技術的燃燒熔融爐的一半。除 此之外，公知技術會產生氮氧化物(如圖1的斜線所示區域，C，點即位于該 區域中)，但本發明的方法不僅不會產生氮氧化物，而且其它高分子量的有 機物質也會因為高溫而轉化成低分子量的第二產物。熔融的灰份熔渣則可經 由熔融爐20下方的熔渣出口 86流至其下方的冷卻水槽87，可經冷卻排出后 再利用。在熔渣出口 86處可注入適量的反應氣體即可提高該處的溫度，使 熔渣得以順利流出熔融爐20，而無需如現有技術那樣需提供額外的燃料。在 熔融爐20內的溫度通常保持在IOO(TC至160(TC之間。
需要注意的是，在氣化爐10的末端也可不設置反應氣體供應裝置42，
而僅通過位于烙融爐20的反應氣體供應裝置43將所需的反應氣體一次加到
所需的量。
經由熔融爐20的產物(位于圖1的C點)為高溫可燃氣體產物，此時 如果繼續供給反應氣體，使其充分燃燒，則將會進入氮氧化物生成區。因此， 為了避免產生氮氧化物，所以接著將第二產物至少進行一次熱回收，以及將 第二產物至少進行一次氧化燃燒，以實現第二產物實質上的充分燃燒。該過 程通過控制溫度或控制供氧量來實現不會大量產生氮氧化物的目的。其中最 后一次進行氧化燃燒時供給足夠的反應氣體，使該第二產物實質上充分燃 燒。以下針對該過程作進一步的說明。
將第二產物利用熱回收裝置吸收其顯熱，以達到降低溫度的目的。經降 低溫度后的可燃氣體(位于圖1的D點)再通過反應氣體供應裝置給予適量 的反應氣體(反應氣體量Q4)，將可燃氣體所含的可燃部分進一步氧化， 同時將其化學能轉換成燃燒產物的顯熱，因而使燃燒產物的溫度提高(位于 圖1的E點)。
此時，如果ER值己略大于1，表示供給的反應氣體己足夠且燃料充分 燃燒，并且溫度仍低于氮氧化物生成區時，此時就可完成本發明的所有步驟。 此后繼續利用公知技術的熱回收裝置回收燃燒產物中的顯熱。但如果經由反 應氣體供應裝置44供給適量的反應氣體后，ER值仍小于1，且溫度接近氮 氧化物生成區時，如果持續加入反應氣體使其完全燃燒，將使燃燒產物的溫 度達到氮氧化物生成的溫度(如第二條曲線的頂點)，此時需再次進行吸收 可燃氣體的顯熱，經降低其溫度后(如圖1的F點)再導入適量的反應氣體 的步驟。重復所述兩個步驟，直到燃燒產物的實際反應氣體量大于理論需氧 量時，可燃成分完全燃燒，此時雖然有過剩氧氣存在，但是其溫度已低于氮 氧化物產生的溫度(如圖1中的G點)，這樣就可避免氮氧化物的產生。
在本實施例中，在圖1的C點狀態下，經由熱回收裝置31后成為圖1 中的D點狀態，再經反應氣體供應裝置44后，成為于圖1中的E點狀態， 然其ER值仍小于1，此時如果持續加入反應氣體，將使燃燒產物達到氮氧 化物生成的溫度，因此，接著將可燃氣體經另一熱回收裝置32吸收可燃氣 體的顯熱，降低其溫度(如圖1中的E點降溫至F點)，接著再通過反應氣 體供應裝置45導入適量的反應氣體(反應氣體量Q5)，使燃燒產物進一步
氧化釋放出化學能以提高溫度，達到圖1中的G點。此時，由于高溫氣體燃 料與反應氣體極易混合，因此可使燃燒產物在極低的過剩反應氣體下達到完 全燃燒。在本實施例中，最終燃燒產物的過剩氣體量僅約10%，因此可有效
地降低過剩反應氣體的熱排放損失，其熱效率與傳統燃燒模式G'點相同，但 本發明的方法無傳統燃燒模式會產生氮氧化物污染物的缺點。
需要注意的是，上述熱回收裝置與反應氣體供應裝置，可根據實際需要 設置兩組(如圖2的第一實施例)、僅設置一組、或設置三組以上。熱回收 裝置與反應氣體供應裝置設置的數量與待處理的物質特性有關。
另外需要注意的是，上述進行熱回收與進行氧化燃燒的步驟除先后進行 外，也可同時進行吸熱與燃燒，此時將熱回收裝置與反應氣體供應裝置整合 為同一裝置。可同時進行吸熱與燃燒的裝置也可設置兩個以上，其設置的數 量與待處理的物質特性有關。
接著請參考圖2。本發明的物質的燃燒系統1包括氣化爐10、熔融爐20、 熱回收裝置31、 32以及反應氣體供應裝置44、 45。其中氣化爐10可在低于 可燃物質理論需氧量下加入第一反應氣體，以產生底灰與第一產物，第一產 物包括第一氣態物質與飛灰。熔融爐20可將第一產物在低于其理論需氧量 下加入第二反應氣體，以將第一產物的溫度提高至飛灰的熔點以上，產生熔 渣與第二產物，第二產物包括第二氣態物質。熱回收裝置31、 32可降低第 二產物中氣態物質的溫度。反應氣體供應裝置44、 45可加入反應氣體使第 二產物中的可燃氣態物質進一步燃燒，以提高溫度。通過熱回收裝置31、 32 與反應氣體供應裝置44、 45，將第二產物至少進行一次熱回收，以及將第二 產物至少進行一次氧化燃燒，以實現第二產物實質上的充分燃燒。所述過程 通過控制溫度或控制供氧量來實現不會大量產生氮氧化物的目的。其中在最 后一次進行氧化燃燒時供給足夠的反應氣體，使該第二產物實質上充分燃 燒。由于各個裝置所能產生的功效與說明與上述有關物質的燃燒方法的各個 步驟相同，因此不再贅述。
需要注意的是，上述熱回收裝置與反應氣體供應裝置，可根據實際需要 設置兩組(如圖2的實施例)、僅設置一組、或設置三組以上。熱回收裝置 與反應氣體供應裝置設置的數量與待處理的物質特性有關。
每組熱回收裝置與反應氣體供應裝置，除先后設置外，也可整合為一體。如圖3所示，為本發明的物質的燃燒系統的第二實施例的示意圖。不同于第
一實施例，本實施例具有可同時進行熱回收與氧化燃燒的裝置50。舉例來說， 裝置50的結構可為反應氣體供應裝置的周圍同時具有可進行熱回收的水冷 壁或鍋爐管。需要注意的是，裝置50也可設置兩個以上，裝置50設置的數 量與待處理的物質特性有關。
綜上所述，本發明的可燃物質的燃燒熱利用方法及其系統，利用在缺乏 氧氣存在的情況下使灰份熔融，避免氮氧化物及戴奧辛等污染物的產生，以 及使可燃物質進一步轉化成低分子量的可燃氣態物質，低分子量的可燃氣態 物質與反應氣體極易混合，當氣體燃料處于高溫狀態下，逐步使其燃燒，不 僅可使物質有效地完全燃燒，當過剩反應氣體產生時，其燃燒產物的溫度也 可降低至生成氮氧化物的溫度以下。因此可達到高的熱效率且能有效控制污 染物產生的目的。
綜上所述，本發明無論在目的、手段及功效方面，均具有迥然不同于公 知技術的特征。應當指出，上述實施例僅為例示性說明本發明的原理及其功 效，而非用于限制本發明的范圍。本領域的技術人員均可在不違背本發明的 技術原理及精神的情況下，對實施例做出修改與變化。本發明的權利保護范 圍應如后述的權利要求書所限定的范圍所述。
權利要求
1.一種物質的燃燒方法，包括下列步驟步驟(A)將一物質在低于其理論需氧量下加入第一反應氣體，以產生底灰與第一產物，該第一產物包括第一氣態物質與飛灰；步驟(B)將該第一產物在低于其理論需氧量下加入第二反應氣體，以將該第一產物的溫度提高至該飛灰的熔點以上，以產生熔渣以及第二產物，該第二產物包括第二氣態物質；步驟(C)將該第二產物至少進行一次熱回收，以及將該第二產物至少進行一次氧化燃燒，以實現該第二產物實質上的充分燃燒；其中，該步驟(C)的過程中不大量產生氮氧化物。
2. 根據權利要求l所述的物質的燃燒方法，其中在該步驟(C)中最后 一次進行氧化燃燒時供給足夠的第三反應氣體，使該第二產物實質上充分燃 燒。
3. 根據權利要求1或2所述的物質的燃燒方法，其中在該步驟(C)的 過程中不大量產生氮氧化物是通過控制溫度或控制供氧量來實現的。
4. 根據權利要求3所述的物質的燃燒方法，其中該步驟(C)中的熱回 收與氧化燃燒同時進行。
5. 根據權利要求3所述的物質的燃燒方法，其中該步驟(C)中的熱回收與氧化燃燒先后進行。
6. 根據權利要求1所述的物質的燃燒方法，其中該步驟(A)中的溫度 介于500。C至100(TC之間。
7. 根據權利要求1所述的物質的燃燒方法，其中該步驟(B)中的溫度 介于IOO(TC至160(TC之間。
8. —種物質的燃燒系統，包括氣化爐，其將一物質在低于其理論需氧量下加入第一反應氣體，以產生 底灰與第一產物，該第一產物包括第一氣態物質與飛灰；熔融爐，其將該第一產物在低于其理論需氧量下加入第二反應氣體，以 將該第一產物的溫度提高至該飛灰的熔點以上，以產生熔渣和第二產物，該 第二產物包括第二氣態物質； 至少一個熱回收裝置，其用以將該第二產物至少進行一次熱回收；以及 至少一個反應氣體供應裝置，其用以將該第二產物至少進行一次氧化燃 燒，以實現該第二產物實質上的充分燃燒；其中，該第二產物在進行熱回收與氧化燃燒的過程中不大量產生氮氧化物。
9. 根據權利要求8所述的物質的燃燒系統，其中最后一次進行氧化燃燒 時供給足夠的第三反應氣體，使該第二產物實質上充分燃燒。
10. 根據權利要求8或9所述的物質的燃燒系統，其中不大量產生氮氧 化物是通過控制溫度或控制供氧量來實現的。
11. 根據權利要求IO所述的物質的燃燒系統，其中所述的熱回收與氧化 燃燒同時進行。
12. 根據權利要求IO所述的物質的燃燒系統，其中所述的熱回收與氧化 燃燒先后進行。
13. 根據權利要求8所述的物質的燃燒系統，其中該氣化爐中的溫度介 于500。C至IOO(TC之間。
14. 根據權利要求8所述的物質的燃燒系統，其中該熔融爐中的溫度介 于1000 。C至1600。C之間。
全文摘要
本發明涉及一種物質的燃燒方法，包括下列步驟將物質在低于其理論需氧量下加入第一反應氣體，以產生底灰與第一產物，第一產物包括第一氣態物質與飛灰；將第一產物在低于其理論需氧量下加入第二反應氣體，以將第一產物的溫度提高至飛灰的熔點以上，以產生熔渣以及第二產物，第二產物包括第二氣態物質；將第二產物至少進行一次熱回收，以及將第二產物至少進行一次氧化燃燒，以實現第二產物實質上的充分燃燒。其中，在最后一步驟的過程中不會大量產生氮氧化物。
文檔編號F23G5/027GK101178178SQ20061014369
公開日2008年5月14日 申請日期2006年11月8日 優先權日2006年11月8日
發明者葛家賢 申請人:臺灣潔凈能源科技股份有限公司