利用基於煤的再燃燒還原氮氧化物的方法
2023-07-01 12:19:11 1
專利名稱：利用基於煤的再燃燒還原氮氧化物的方法
技術領域：
本發明一般涉及燃燒，更具體而言，涉及由燃燒而放出的氮氧化物NOx的還原。
在許多工業爐中，燃燒燃料和氧化劑以供熱，可用於發電、煉鋼和其它金屬、製造玻璃以及廢物處理等工業用途。燃燒過程中使用的典型氧化劑是含有相當大量氮的空氣。燃燒過程中，燃料中的含氮物種和空氣中的氮都被氧化成NOx。也生成包括二氧化碳和水蒸氣等其它燃燒氣體。
已經證明，從工業或其它爐子中放出的NOx對環境質量和人體健康有嚴重的影響。這些化合物會引起酸雨，是形成地平面臭氧的一個要素，而且與細微顆粒形成有關。
還原燃燒反應中放出的NOx的一條途徑是再燃燒，即供燃料給含NOx的燃燒氣體，使它與NOx反應生成氮氣。再燃燒所用的燃料一般是甲烷或天然氣。
最好是使用像煤或其它顆粒狀含碳燃料那樣的便宜燃料再燃燒，來還原NOx排出物。但是，使用這種燃料由於需要較長的接觸時間而降低了再燃燒效率，並能產生碳含量高的灰塵，對這種灰塵還需要進一步處理。
因此，本發明目的是提供一種改進方法，用顆粒狀含碳燃料再燃燒，還原燃燒反應放出的NOx排出物。
閱讀這公開內容後，本領域熟練技術人員將明白，靠本發明可達到上述和其它目的，本發明是一個降低來自燃燒反應的燃燒氣體中NOx含量的方法，包括(A)燃燒燃料和氧化劑以產生熱，並形成包含NOx的燃燒氣體；(B)加熱氧到1000°F～3000°F，形成熱氧；(C)混合熱氧和含揮發性物質的顆粒狀含碳燃料，以形成化學計量比小於1.0的混合物，使混合物內顆粒狀含碳燃料脫去揮發性組份，並使熱氧與混合物中的揮發性物質以及顆粒狀含碳燃料反應，形成一種含烴基的富燃料氣相混合物；
(D)使燃燒氣體與富燃料氣相混合物接觸，使富燃料氣相混合物中的烴基與燃燒氣體中的NOx反應，形成氮氣。
這裡所述的「化學計量」是指氧分子與用於燃燒目的的燃料之比。化學計量比小於1.0是指氧的量比完全燃燒該燃料所需量少，亦即富燃料的情形。
這裡所述「氧氣」是指一種氧濃度至少為30mole％的氣體流。它可以含氧濃度超過70mole％，或是氧濃度≥99.5mole％的商用純氧。
這裡所述的「氮氧化物」和「NOx」是指一氮或多氮氧化物(N2O)，氧化氮(NO)，三氧化二氮(N2O3)，四氧化二氮(N2O4)，二氧化氮(NO2)，四氧化三氮(N3O4)以及三氧化氮(NO3)。
這裡所述的「揮發性物質」是指加熱時從固體或液體燃料中放出的有機化合物。這些化合物包括焦油類，甲烷和其它沸點適中的有機化合物。
這裡所述「脫去揮發性組分」是指使揮發性物質從固體或液體中氣體。
這裡所述「烴基」是指由含氫或碳的物種分解或反應而形成的高反應性物種。烴基的實例包括NH,CH和CH2。
這裡所述「顆粒狀」是指分得很細的材料，例如壓碎或磨碎的固體材料或霧化的液體材料。
圖1是本發明一個優選實施方案的截面圖，其中熱氧與顆粒狀含碳燃料在送入爐子，與燃燒氣體接觸前先在氣化室混合。
圖2是本發明另一個優選實施方案的截面圖，其中熱氧與顆粒狀含碳燃料直接供入爐子，與燃燒氣體接觸。
圖3是本發明另一個優選實施方案的截面圖，其中熱氧與顆粒狀含碳燃料用分別供應的方式直接供入爐子。
圖4是說明本發明實施可達到效益的圖解表示。
參考圖示詳述本發明。現在參考圖1，已加熱到1000°F～3000°F，最好是2000°F～3000°F的氧氣1供入噴射器3的環形通道2。可用任何適當方法，如藉助於與熱源的熱交換，來加熱氧。本發明實施中特別優選的加熱氧的方法是Anderson的美國專利No.5266024-中公開的方法。
含碳燃料4供入噴射器3的中心通道5。本發明實施中，任何固體或液體含碳燃料都可使用。優選的含碳燃料4包括磨碎的煤粉或石油焦碳。
熱氧與顆粒狀含碳燃料以同軸流束通過噴射器3，並以噴射器3進入氣化室6，它們在那裡混合，形成混合物7。如圖1所示，優選的是使熱氧和顆粒狀燃料從噴射器3到氣化室6通過的噴口收縮成小孔，因而加速熱氧和含碳燃料，增強氣化室6內的混合作用，形成一個更為均勻的混合物7。熱氧和含碳燃料的供應要使混合物7的化學計量比＜1.0，優選是在0.1～0.6之間。
來自熱氧的熱引起含碳燃料內的一些揮發性物質脫出。熱氧在氣化室6內與揮發性物質，也與含碳燃料反應，形成一個富燃料的氣相混合物，一般它包含有二氧化碳，一氧化碳，甲烷，氫和其它未反應的烴。也可能存在一些顆粒狀燃料。由於最初由熱氧將熱帶入熱氧和揮發性物質以及含碳燃料的燃燒反應，以及燃燒反應本身釋放的熱，富燃料氣相混合物也含有烴基。含烴基的富燃料氣相混合物從氣化室通過爐壁8，如物流9所示，進入爐區10。
在爐區10內，燃料和氧化劑燃燒，產生工業用熱量。本發明實施中所用的爐區的實例包括實用鍋爐，工業用爐和工業鍋爐。產生熱時，爐區10內燃料和氧化劑的燃燒反應也形成包括NOx的燃燒氣體。燃燒氣體在爐區10內與富燃料的氣相混合物接觸，而富燃料氣相混合物的烴基與燃燒氣體的NOx反應，還原NOx成氮氣。然後，氮氣與燃燒氣體從爐內放出，因此，優於爐區內非再燃燒的其它方法，明顯降低了爐內放出物的NOx量。若需要，可向爐區內供給額外的氧化劑如空氣，以使富燃料氣相混合物在出爐通道前就完全燃燒。
圖2和圖3說明了本發明其它實施方案，其中沒有使用氣化室。在圖2和3所示本發明實施方案中，熱氧和顆粒狀含碳燃料直接供入爐內，它們在爐內形成低於化學計量的混合物。圖2和3中所用的數字與圖1中通用部件用的數字相同，這些通用部件不再詳述。
在圖2所示實施方案中，除了噴射裝置安裝在爐壁8處、混合物7在爐區10內形成外，所用的噴射裝置與圖1中相似。圖2所示本發明實施方案的所有其它方面，基本上與圖1所示實施方案中討論過的相同。如本領域技術熟練人員估計的那樣，燃料和氧化劑在爐區內的燃燒，爐區在圖中未畫出，發生在離富燃料氣相混合物通入或形成處較遠的地方。一般來說，燃燒發生在比富燃料氣相混合物通入處或在爐區內形成處低的地方，燃燒氣體在燃燒區內上升，完成與富燃料氣相混合物的接觸。
在圖3所示的本發明實施方案中，熱氧和含碳燃料通過分離裝置直接供入爐區。熱氧通過一或幾個熱氧噴槍11供應，含碳燃料通過燃料噴槍12供應。如圖3所示熱氧噴槍最好定位在使噴入爐區10的熱氧流13對準噴入爐區10的顆粒狀含碳燃料流14。通常，流束13和14在混合併形成亞化學計量混合物7之前，將夾帶一些燃燒氣體。因此，在爐區10內以前述相似的方式，形成富燃料氣相混合物，使NOx還原成氮氣。
申請人發現只需要少量熱氧就能有效地使含碳燃料揮發，反過來，含碳燃料能產生足夠量烴基去完成本發明的再燃燒，產生氮氣。這表示在圖4中，圖4表明，用鼓風氣流中空氣燃燒碎煤粉四種情形的總燃燒、揮發性物質的釋放(VM)和固定碳燃燒(FC)的結果，四種情形是，(1)基礎情況，其中無氧供入鼓風氣流，(2)富集，其中氧以室溫，鼓風加熱器上行氣流供應，(3)冷噴射，其中氧供入室溫鼓風氣流，(4)熱噴射，其中使用加熱了的氧。每種情形中燃料是工業鼓風爐操作中常用的那種高揮發性碎煤粉，具有表1所示分析結果。燃料以9.5kg/hr流速供入鼓風氣流。
表1-煤的分析組分分析 重量％ 元素分析重量％水分 1.19 碳77.5灰塵 7.13 氫5.1揮發性物質 34.94 氮1.4固定碳 56.75 硫1.0氧6.7碳由用水驟冷來收集。總的煤烯燒分數T由原料煤的灰塵量A0和所收集碳的灰塵量A1的化學分析，按關係式T=(A1-A0)A1(1-A0)]]>確定。揮發性物質的釋放R和固定碳的燃燒C由煤中的灰塵、揮發性物質(V0)和固定碳(F0)的化學分析以及碳中的灰塵、揮發性組分(V1)和固定碳(F1)的化學分析按關係式R=1-V1A0V0A1]]>C=1-F1A0F0A1]]>確定。
使用氧時，3.7Nm3/hr的空氣流被氧替代。對於富集試驗，空氣和氧在室溫混合，加熱混合物到900℃，因此，總的氣體流率、速度和溫度與基底情形相同。對於室溫噴射試驗，93.7Nm3/hr的空氣用於900℃鼓風，3.7Nm3/hr的氧通過氧噴槍噴射。總的氣體流率與基底情形相同，而溫度降低了，因為加入的氧未被加熱。用於室溫噴射試驗的氧純度為～99.99％。對於熱噴射試驗，氧濃度為～80mole％，溫度為1565℃。
圖4對煤噴射率為9.5Kg/hr的每種情形的總燃燒、揮發性物質釋放和固定碳燃燒作了比較。由圖4報導結果可看出，少量氧的使用與只用空氣作氧化劑所得結果相比，大大改進了揮發性物質的釋放；使用熱氧顯示出更高的性能，導致更多的揮發性物質以產生更多的烴基用於再燃燒。
現在，使用本發明，人們可以有效地利用煤或其它廉價燃料再燃燒來還原工業用爐放出的NOx。雖然本發明已參考某些優選實施方案詳細描述了，但本領域熟練技術人員將認識到，在權利要求的精神和範圍內還有本發明的一些其它實施方案。
權利要求
1．一種還原來自燃燒反應產生的燃燒氣中的NOx的方法，包括(A)燃燒燃料和氧化劑以產生熱，並形成包含NOx的燃燒氣體；(B)加熱氧到1000°F～3000°F，形成熱氧氣；(C)混合熱氧和含揮發性組分的顆粒狀含碳燃料，形成化學計量比小於1.0的混合物，使混合物中顆粒狀含碳燃料脫去揮發性組分，使熱氧氣與混合物中的揮發性組分以及顆粒狀含碳燃料反應，形成含烴基的富燃料氣相混合物；(D)使燃燒氣體與富燃料氣相混合物接觸，使富燃料氣相混合物中的烴基與燃燒氣體中的NOx反應，生成氮氣。
2．權利要求1的方法，其中熱氧溫度為2000°F～3000°F。
3．權利要求1的方法，其中顆粒狀含碳燃料包括煤。
4．權利要求1的方法，其中混合物的化學計量比為0.1～0.6。
5．權利要求1的方法，其中熱氧的氧濃度至少為70mol％。
6．權利要求1的方法，其中熱氧和顆粒狀含氧燃料通入氣化室，富燃料氣相混合物從氣化室通入爐區，然後在此與燃燒氣體接觸。
7．權利要求1的方法，其中熱氧和顆粒狀含碳燃料通入爐區，爐區內也含有包括NOx的燃燒氣體。
8．權利要求1的方法，其中在形成化學計量比小於1.0的混合物之前，熱氧和顆粒狀含碳燃料被加速。
9．權利要求1的方法，其中在熱氧與顆粒狀含碳燃料混合前，將一些燃燒氣體輸入熱氧。
全文摘要
一種還原來自工業用爐燃燒的燃燒氣體中NOx的方法,其中熱氧與含碳燃料如碎煤粉反應形成富燃料氣相混合物,然後用它還原NOx生成氮氣。
文檔編號C21B5/00GK1324999SQ0111952
公開日2001年12月5日 申請日期2001年5月17日 優先權日2000年5月19日
發明者小林尚, L·E·波爾三世, M·F·裡利 申請人:普萊克斯技術有限公司