從燃燒廢氣中清除硫的氧化物的溼式洗氣噴射裝置與方法
2023-08-06 12:15:36
專利名稱：從燃燒廢氣中清除硫的氧化物的溼式洗氣噴射裝置與方法
技術領域：
本發明涉及有助於維護漿液噴射裝置和更加有效地從燃燒廢氣中清除硫的氧化物(SOx)的各項改進。
全世界各國政府都在嚴密地控制包括化石燃料和廢棄物在內的含有大量硫分的含碳物質的燃燒。硫和氧的自由基在一定的高溫下被釋放出來並化合起來以生成種種硫的氧化物，稱作SOx一族。許多國家中的規定要求減少釋放到大氣中的硫的氧化物數量以緩解與酸雨相關聯的各種問題。
目前正採取許多策略來減少SOx向大氣的排放。其中有用於在燃燒之前從燃料中清除硫分的方法、用於在燃燒期間以化學方式凍結硫分的方法，以及用於從燃燒廢氣中清除硫的氧化物的方法。在用於處理燃燒廢氣以清除SOx的方法中，有溼式和乾式洗氣法。溼式洗氣技術經過良好的研製並卓有成效；不過，需要龐大的設備，而且成本也正比增加。
用於溼式清洗燃燒廢氣以清SOx的技術以許多不同的結構形成氣液接觸。其中最為突出的是單和雙循環逆流噴射塔和採用回流和逆流兩部分的噴射塔。
採用碳酸鈣與SOx反應的單循環、開式塔系統在結構和操作上最為簡單。這些系統往往是優選的，因為它們可在低壓降的情況下運作並具有很低的結垢和堵塞趨向。不過，它們在簡單性和可靠性方面的優點由於其很大的尺寸而在某些情況下被抵消了。比如，由於它們不採用任何塔盤或填料來增強廢氣與洗氣液之間的接觸，塔高度一般很大並且要採用多層噴射噴管以確保良好的氣-液接觸。泵送作業是主要費用所在，此項費用隨著必須泵送的液體壓頭而增大，因而，較高的塔將增大結構和操作的成本。
塔高度與噴射層的多少和各層之間的間距密切相關。已知的噴嘴排列使得維修成為一項相當大的問題，因為這種排列減少了一名想要在種種管道和噴嘴之間容易活動以找到故障並予以修理的維修工的進出通道。現有技術一般一直是通過增大各層之間的間距來提供額外的自由空間以致一次可以維修一級噴級層而不必圍著各管道和各噴嘴爬上爬下。為了自由空間而增大間距可以減少維修成本，但加大了結構和泵送的成本。
需要一些手段和方法來減小噴射層間隔和塔高度而不損害維修噴射塔使之能夠迅速地重新投入使用的能力。
利用石灰石的單循環、逆流噴射塔在Rader和Bakke在華盛頓特區1991年9月12日舉行的IGCI(以前是Industrial Gas Cleaning Institute，現在是Institute of Clean Air Companies，華盛頓特區)論壇上提出的報告「結合全尺寸試驗從事先進的石灰石溼式FGD設計(Incorporating Full-ScaleExperience Into Advanced Limestone Wet FGD Designs」中有所說明。開式噴射塔(亦即那些不具有填料、塔盤或其他用於促進氣-液接觸的手段的塔)結構簡單並具有很高的可靠性。它們在燒煤電站中尤其有用，在這些電站中氯化物的析出造成了許多問題，包括降低了洗氣溶液的活性和嚴重腐蝕了洗氣裝置的內部。有利於使用開式噴射塔的另一有利因素是它們固有的低壓力損失，並因此節約了鼓送動力。
在Rader和Bakke所說明的類型的單循環、逆流、開式洗氣塔中，一種由碳酸鈣、硫酸鈣、亞硫酸鈣和其它一些非反應固體組成的洗氣漿液向下流動，而載有SOx的廢氣向上流動。SOx，主要是SO2，被吸收在下降的洗氣漿液之中並被收集入反應罐，在其中形成亞硫酸鈣和硫酸鈣。最好是，反應罐充以氧氣以促使生成的硫酸鹽超過亞硫酸鹽。當硫酸鹽結晶長成到足夠的大小，它們就從反應罐中除去並從漿液中分離開來。這篇參考文獻以及隨後的一篇全文引作參考，用於說明已知的溼式洗氣技術。
Rader和Bakke指出，泵送成本佔大約50％的系統總動力需求。他們說明了彼此相對成銳角取向的各級噴射層並建議各層之間的間距為5到6英尺。此間距拘泥於在現有技術中被認為是對於約束集流管和支承系統來說適當的間距。在傾斜取向的各噴射層之間採用所建議數值的間距時，塔高度和泵送成本將會增加。採用較小的間距，維修將變得非常困難。
在Johnson等人的美國專利第3995006號中，描述了一種在廢氣脫硫系統中設計成可以代替多層噴射的單層噴射。所述的裝置具有許多噴射集流管，全都並聯地排列在一共同的水平平面之內。這種所有的噴頭在一個平面上的裝置不能保證各種噴射型式的交錯以成功地處理氣體穿過或溝流問題。
現有技術沒有談到必需降低用於減少SOx的溼式洗氣器的塔高度的觀點，只是談到了以高效方式從事維修的問題。
本發明的一項目的是提供用於溼式清洗燃燒廢氣以清除硫的氧化物的改進型裝置和工藝方法。
本發明的另一項目的是易於從事溼式洗氣器中噴射裝置的維修。
本發明的一項更為具體的目的是減小單循環、開式塔、逆流石灰石溼式洗氣裝置的尺寸。
本發明的再一項目的是改進溼式洗氣塔中噴射裝置的設計和布置。
本發明一優選實施例的又一項目的是，通過在一高度減小的洗氣區之內實現有效的液-氣接觸而提高單循環、開式塔、逆流石灰石溼式洗氣裝置的處理效率。
這些和其他一些目的均由提供了溼式洗氣的改進型工藝方法和裝置的本發明予以實現。
在一個方面上，本發明提供了一種用於減小廢氣中SOx濃度的改進型溼式洗氣裝置，所述裝置的所屬類型包括廢氣入口、廢氣出口、位於入口與出口之間的噴射區，其中改進之處包括在所述噴射區之中具有至少兩級噴射層，每一噴射層包括許多噴射集流管，排列得平行於在一噴射層之內的其他各噴射集流管並在豎直方向上平行於在間隔小於1.25米的至少一級相鄰噴射層中的各噴射集流管。
在本發明的另一方面上，這一類型洗氣裝置的改進之處包括在噴射區中採用至少兩級噴射層，每一噴射層包括許多噴射噴嘴，其中大多數在一基準噴射層上的噴嘴設置得以致在它們之間所畫的直線形成多個正方形圖案，各噴嘴位於各正方形的尖角處，而大多數在一相鄰噴射層上的噴嘴設置成位於由基準噴射層上的每四隻噴嘴形成的各正方形的中心上方。
最好是，每一噴射層由一向此噴射層上所有噴射集流管供應漿液的一進給集流管獨立地予以進給。本發明的優點是，各噴射集流管可以是藉助於形成桁架以自我支承或是由在豎直方向懸掛的各吊架予以懸吊而不幹擾維修或要求由現有技術溼式洗氣裝置所要求的5至6英寸間距。
在另一方面上，本發明改進了一種類型的工藝方法，其中包含SOx的廢氣氣流通過一直立的洗氣塔被引向上方，SOx減除劑的含水漿液射流從噴射區之內的許多噴射層被送入以接觸廢氣，同時與廢氣氣流相反而下降通過塔，漿液被收集起來而其一部分被重新循環以接觸廢氣，其中改進之處在於在所述噴射區之中設置至少兩級噴射層，每一噴射層包括許多噴射集流管，排列得平行於在一噴射層之內的其他各噴射集流管並在豎直方向上平行於在間隔小於1.25米的至少一級相鄰噴射層之中的各噴射集流管。
從以下詳細說明中，特別是在結合附圖閱讀時，本發明將得到更好的了解，而其各項優點將得到更好的理解，附圖中
圖1是本發明一項優選實施例的示意透視圖，此實施例採用在單循環、開式塔、逆流石灰石溼式洗氣器之中的一種新型噴嘴結構；圖2是從圖1中斷開的透視圖，示出兩級相鄰噴射層的一種優選噴嘴結構的細節；圖3是沿著圖1中平面3-3所取的剖視圖；圖4是沿著圖1中平面4-4所取的剖視圖；圖5是沿著圖1中平面5-5所取的剖視圖；圖6是沿著圖1中平面6-6所取的剖視圖；以及圖7是一示意性側視圖，示出按照本發明改進的一種典型的開式塔洗氣器的各主要部件。
本發明的各項改進對於鍋爐廢氣具有最佳用途，而此實施例將為示出本發明及其優點而予以描述。本發明不限於此實施例，出自各種類型燃燒源的廢氣和採用組合式或其他洗氣設備均在預料之中。
圖1示出一種單循環、開式塔、逆流石灰石溼式洗氣器，用於從燃燒廢氣中清除硫的氧化物，主要是SO2。另見圖7，即一示意性側視圖，示出按照本發明改進的一種典型開式塔洗氣器的各主要部件。這是本發明的優選實施例，但本發明也適用於並流洗氣器以及其他結構和設計，包括帶有既向上也向下射出洗氣液流的各噴嘴的那些類型。
優選形式的溼式洗氣器採用鹼性SO2減除劑，包括象石灰和石灰石這樣的鈣化合物、象氫氧化鈉和碳酸鈉這樣的鈉化合物，以及銨化合物，由於本技術領域已經以其各種商品形式說明其可用作SOx減除劑。在自然界中發現的幾乎所有可利用形式的碳酸鈣都包含少量的相對惰性物質，諸如游離矽、碳酸鎂或白雲石、鐵的氧化物、礬土，等等。石灰石是碳酸鈣的一種最佳形式，但如果需要，可以另一形式代替。除石灰石以外，其他形式的碳酸鈣包括礪殼、霰石、方解石、白堊、大理石、泥灰以及石灰華。這些都可以開採或製造出來。在本說明書中，碳酸鈣和石灰石是可以互換的。石灰石最好是通過研磨而分得很細，達到大約小於44μ的加權平均直徑，並用從大約15％到大約35％的水混合漿液。上述和所有的在此所述的百分數都基於整個混合物的重量。
圖1和7的優選工藝裝置示出一種廢氣，最好是諸如通過一種靜電沉澱器或織物過濾器清除掉經由導管20通過溼式洗氣塔100的顆粒，在洗氣塔100中，廢氣向上流動，與含水漿液的噴流相反，此漿液包含在豎直洗氣段110內排放的石灰石，洗氣段110包括具有四級噴射層121、122、123和124的噴射區。圖2-6和隨之的說明將比較詳細地解釋此結構和間隔。從洗氣段110出來，氣體不斷經過出氣導管130。此塔設計得可導引廢氣氣流向上通過豎直洗氣段。經過清洗的廢氣由適當的分離器140有效地把夾帶的液滴脫除掉並排出煙囪(未畫出)。
通過豎直洗氣段110下落的洗氣漿液被收集在反應罐150之中。反應罐150具有的尺寸最好是適合於SO2與碳酸鈣反應以形成石膏晶體，後者具有的加權平均直徑大到足以確保它們可由諸如水力旋流器151這樣的適當裝置予以分離，以便從系統中清除出去。一股漿液流不斷地經由管線152從罐中流出並通過水力旋流器151或其他適當的分離裝置提供一股用於排出的液流153和另一股用於重新循環到洗氣區的液流154。重新循環至洗氣區是經由管線155-158實現的。最好是每一管線聯接於一單獨的泵機，比如管線158中的泵機159。這樣，每一洗氣層由一專用的供應集流管予以進給，比如集流管125-128。
圖3示出沿豎直方向四級噴射層中平行的各噴射集流管的緊密排列和結構。圖示噴射層121中噴射集流管上每一比如凸緣129的各帶凸緣的端部易於連接各供應集流管125-128。圖2和3還示出豎直排列和緊密相鄰的各噴射層(間隔小於1.25米)如何通過在兩條相鄰噴射集流管之間製成一桁架結構而使自身支承各噴射層成為可能。以這種或等同的方式形成的連接在此二者之間造成一種梁式結構並大大地提高了各集流管支承重量的能力。在至少兩級噴射層即兩級緊密相鄰的噴射層之間的最佳間距為大約0.5米至大約1.25米，更窄一些是大約0.5米至大約1米，比如在一示範實施例中大約是0.75米。這些間距從一層中一條噴射集流管的中心線到相鄰層中其對應者的中心線。
參看圖4，很容易看出一各維修人員如何能夠由支持在一層處的腳手架或墊板無阻礙地走過洗氣器的內部來維修兩級噴射層。在層與層之間，如圖所示，具有充分的自由空間，並且可以從洗氣塔的一面塔壁到另一面塔壁的一條暢通的路徑上跨過或走動而無任何阻礙。如果在最低一層以上各噴射層的高度足以使一個人站立起來-比如從層121到層123的高度是至少1.5米而最好是至少1.8米，則容易從事維修。
圖5示出一級作為例證的噴射層，各噴嘴(由在各管線比如162端部處的許多圓圈比如161表示，由噴射集流管比如121向它們供料)排列成一正方形圖案。注意，在此實施例中，大多數噴嘴(最好是所有的噴嘴，除去靠近周邊的那些)都在圖案中各正方形的塵角處。隨後參看圖6，它示出相鄰兩層圖案的疊置情況。在此，圖示相鄰層的各噴嘴設置得以致大多數都位於圖示另一層圖案中的正方形中心。這種圖案在採用平行的、緊密間隔的相鄰各噴射層時具有特殊的優點，因為在一層中經過各噴嘴的氣流將直接地轉換成為相鄰一層中各噴嘴的射流。參看圖7(噴嘴的排列細節另見圖4和6)將有助於看出出自(比如，層124中)正方形尖角處一噴嘴的射流將如何被引向下一級緊鄰的一層(在此範例中，123)，此處一噴嘴設置在每一上方的正方形中心處。傳統的各層之間間距較大時，這種流動轉換的效果不會出現或不會如所述那樣。間距較大時，流動可能重組到可以出現下一層各噴嘴旁通(bypass)的程度。本發明之設置緊鄰各層提供了比其他方式所能達到的接觸更為直接，更為有力。
圖7示出洗氣區的高度110是罐150中液面與最上面的噴射層121之間的距離。這就是必須泵送的液體的壓頭。此高度要受噴射區120高度的影響。因而，由於本發明降低了噴射區120的高度，也降低了必須泵送的液體的壓頭。這一點是本發明的一項優點，而令人驚喜的是，在氣液接觸獲得改進的同時，可以減少泵送成本。這些優點，在結合另外獲得的在維修可實現性方面的各種改進來看時，尤其令人驚喜。
一種最佳形式的噴嘴是離心式噴嘴，它以一個範圍從大約90到大約140°(最好是120°)的角度α形成一股射流。一種適當的噴嘴是可從Illinois州wheaton市。Spraping Systems公司購得的一種Whirljet 300(加侖每分鐘)的噴嘴。液滴尺寸最好是範圍從大約100μ到大約6000μ，一般是大約2000μ。Sauter平均直徑是用一種Malvern顆粒分析器來測定的。可以採用其他一些噴嘴設計，包括那些既引導洗氣液流向上也引導向下的噴嘴。
以上說明目的在於啟示本技術領域的一般熟練人員如何實施本發明，並不企圖詳述它的那些對於一旦讀過此說明的熟練人員來說將是顯而易見的各種明顯的修正和改型。不過，所有這些明顯的修正和改型都試圖包括在由以下各項權利要求所確定的本發明的範疇之內。這些權利要求，除非行文中專門指出相反的情況，意欲概括有效地達到各種目的的、任何排列或順序的所要求保護的組成和步驟。
權利要求
1.一種改進型溼式洗氣裝置，用於減少廢氣中的SOx濃度，所述裝置所屬的類型包括廢氣入口、廢氣出口、位於入口與出口之間的噴射區，此噴射區包括，即裝置的改進之處包括位於所述噴射區之內的至少兩級噴射層，每一噴射層包括許多噴射集流管，排列成平行於在一噴射層之內其他各噴射集流管並平行於間隔不到1.25米的至少一個相鄰噴射層之中的各噴射集流管。
2.按照權利要求1所述的溼式洗氣裝置，其特徵在於各噴射集流管各自由形成部分噴射區的壁板在一端處予以支承並貫穿其長度由一相鄰的噴射集流管予以支承。
3.按照權利要求1所述的溼式洗氣裝置，其特徵在於各噴射集流管各自由形成部分噴射區的壁板在一端處予以支承並由一沿豎直方向懸掛以裝接至少兩條沿豎直方向間隔開來的噴射集流管的吊架在另一端處予以支承。
4.按照權利要求1所述的溼式洗氣裝置，其特徵在於一基準噴射層在通過噴射區豎直中心線的管線上具有一條噴射集流管；在基準噴射層上的大多數噴嘴設置得以致在它們之間所畫的直線形成各噴嘴位於各正方形尖角處的多正方形圖案；以及在一相鄰噴射層上的大多數噴嘴設置在由基準噴射層上每四隻噴嘴形成的各正方形的中心上方。
5.按照權利要求1所述的溼式洗氣裝置，其特徵在於基準噴射層具有所有平行於但不通過噴射區豎直中心線的噴射集流管；在基準噴射層上的大多數噴嘴設置得以致在它們之間所畫的直線形成各噴嘴位於各正方形尖角處的多個正方形圖案；以及在一相鄰噴射層上的大多數噴嘴設置在由基準噴嘴層上每四隻噴嘴形成的各正方形的中心上方。
6.按照權利要求1所述的溼式洗氣裝置，其特徵在於每一噴射層由一向此噴射層上所有噴射集流管供應漿液的進給集流管獨立地予以進給。
7.一種改進型溼式洗氣裝置，用於減小廢氣中的SOx濃度，所述裝置所屬的類型包括廢氣入口、廢氣出口、位於入口與出口之間的噴射區，此噴射區包括，即裝置的改進之處包括所述噴射區包括至少兩級噴射層，而每一噴射層包括許多噴射噴嘴；其中在基準噴射層上的大多數噴嘴設置得以致在它們之間所畫的直線形成各噴嘴位各正方形尖角處的多個正方形圖案；以及在相鄰噴射層上的大多數噴嘴設置在由基準噴射層上每四隻噴嘴形成的各正方形的中心上方。
8.按照權利要求7所述的溼式洗氣裝置，其特徵在於每一噴射層由一向此噴射層上所有噴射集流管供應漿液的進給集流管獨立地予以進給。
9.按照權利要求7所述的溼式洗氣裝置，其特徵在於每一噴射層包括許多噴射集流管，排列成平行於噴射層之內的其他各噴射集流管並在豎直方向上平行於至少相鄰噴射層之中的各噴射集流管。
10.按照權利要求7所述的溼式洗氣裝置，其特徵在於各噴射集流管各自由一形成部分噴射區的壁板在一端處予以支承並貫穿其長度由相鄰噴射集流管予以支承。
11.按照權利要求7所述的溼式洗氣裝置，其特徵在於各噴射集流管各自由一形成部分噴射區的壁板在一端處予以支承並由在豎直方向上懸掛以裝接至少兩條沿豎直方向間隔開來的噴射集流管的吊架在另一端處予以支承。
12.按照權利要求7所述的溼式洗氣裝置，其特徵在於一噴射層和一相鄰噴射層間隔開小於大約1.25米的距離。
13.一種改進型溼式洗氣裝置，用於減少廢氣的SOx濃度，所述裝置的所屬類型包括廢氣入口、廢氣出口、位於入口與出口之間的噴射區，此噴射區包括，即裝置的改進之處包括位於所述噴射區之內的至少兩級噴射層，每一噴射層包括許多噴射集流管，排列成平行於在一噴射層之內其他各噴射集流管並在豎直方向上平行於在至少一相鄰噴射層之中的各噴射集流管，每一噴射層包括許多從所述各噴射集流管伸出的噴射噴嘴，其中大多數在一基準噴射層上的噴嘴設置得以致在它們之間所畫的直線形成各噴嘴位於各正方形尖角處的多個正方形圖案，以及大多數在一相鄰噴射層上的噴嘴設置在由基準噴射層上每四隻噴嘴形成的各正方形的中心上方。
14.按照權利要求3所述的溼式洗氣裝置，其特徵在於各噴射集流管各自由一形成部分噴射區的壁板在一端處予以支承並貫穿其長度由一相鄰噴射集流管予以支承。
15.按照權利要求13所述的溼式洗氣裝置，其特徵在於各噴射集流管各自由一形成部分噴射區的壁板在一端處予以支承並由一在豎直方向上懸掛以裝接至少兩條沿豎直方向間隔開來的噴射集流管的吊架在另一端處予以支承。
16.按照權利要求13所述的溼式洗氣裝置，其特徵在於一噴射層和一相鄰噴射層間隔開小於大約1.25米的距離。
17.按照權利要求13所述的溼式洗氣裝置，其特徵在於一噴射層和一相鄰噴射層間隔開大約0.5米到大約1.0米的距離。
18.一種改進型方法，其中含有SOx的廢氣流引導向上通過直立洗氣塔，SOx減除劑含水漿液的射流從噴射區內許多噴射層中送出，以便在逆流於廢氣流而下降通過塔時接觸廢氣，漿液被收集起來，而其一部分被重新循環以與廢氣接觸，此方法中的改進之處包括在所述噴射區之中設置至少兩級噴射層，每一噴射層包括許多噴射集流管，排列成平行於在噴嘴層之內的其他各噴射集流管並沿豎直方向平行於在至少一個間隔小於1.25米的相鄰噴射層之中的各噴嘴集流管。
19.按照權利要求18所述的方法，其特徵在於每一噴射層包括許多從所述各噴嘴集流管伸出的噴射噴嘴，其中大多數在基準噴射層上的噴嘴設置得以致在它們之間所畫的直線形成各噴嘴位於各正方形尖角處的多個正方形圖案，以及大多數在相鄰噴射層上的噴嘴設置在由基準噴射層上每四隻噴嘴形成的各正方形的中心上方。
20.按照權利要求18所述的方法，其特徵在於每一噴射層由一向此噴射層上所有噴射集流管供應漿液的進給集流管獨立地予以進給。
全文摘要
由於一種噴射集流管系和各噴嘴的排列允許在減小各噴射層之間間距(比如0.5至1.25米)的情況下易於出入而從事維修,因此可以節省資金和運轉成本而有效地從燃燒廢氣中清洗硫的氧化物(SO
文檔編號B01D53/18GK1248925SQ98802870
公開日2000年3月29日 申請日期1998年2月26日 優先權日1997年2月26日
發明者約瑟夫·V·道蒂 申請人:Abb環境系統公司