碳質燃料的脫硫的製作方法

2023-08-08 22:20:56

專利名稱：碳質燃料的脫硫的製作方法
技術領域：
本發明涉及碳質燃料的脫硫方法。具體而言，本發明涉及的是在燃燒過程中，使用鹼性吸著劑脫硫，並降低來自煤燃燒過程的氧化氮和塵粒發射的改進方法。
美國專利第4，395，975號和4，423，702號均描述了用煤的部分氧化所產生的鹼性熔渣吸收硫，並進而減少來自煤燃燒過程的氧化氮和塵粒產生的方法。這些方法均達到了它們各自的預期目的，但並不能完全除去硫及氧化氮。
為目前燃燒煤的公用事業和工業提供投資小和生產費用低的淨化方法的研究一直未曾停滯。能達到這些目標的改進方法一直是急需的。
本發明是一種更為經濟的方法，使用煤燃燒室來減少氧化氮(NOx)，並進而在燃燒室除硫及熔渣，從而減少進入燃煤加熱爐的汙染物。
鹼性化合物，例如石灰石、石灰、水合石灰、白雲石、二碳酸氫三鈉、天然小蘇達、碳酸鉀，或它們的組合物，可以與原料燃煤一起或分別加入到燃燒室的第一階段的氧化單元中。
大量硫是吸收到由煤的部分氧化所產生的鹼性熔渣中，這要藉助於對燃燒室的特殊設計而得到保證。對這一設計的要求是所有從氧化介質(空氣、氧氣或它們的組合物)中產生的氧，都必須在進入到鹼性溶渣硫吸收區之前就被消耗完全。
氧化氮的減少，是通過在第一階段以低於化學計量的空氣條件下燃燒煤，而減少從燃料中釋放所結合的氮而達到的。在進入第二燃燒階段之前，進行少量的內部冷卻，以降低第二階段的燃燒溫度，進而減少熱氧化氮(NOx)的產生。
在位於加熱爐進口處的第二氧化階段單元，加熱的燃燒空氣與來自第一階段的燃料氣進行慢慢地混合。這一緩慢的混合，並結合對加熱爐中火焰輻射的冷卻，適宜地降低了局部氧化區的溫度，減少了熱氧化氮的產生。因為熱氧化氮的產生是隨著火焰溫度的降低而減少。
本領域的普通技術人員，參照以下的發明詳述及附圖，可以很好地理解本發明。
附圖簡述

圖1是本發明燃煤脫硫方法的流程圖。
圖2是用於最初燃煤脫硫的燃燒設備示意圖。
圖3是在本發明的方法中對煤中脫硫使用水合石灰及按先有技術使用石灰所增加能力的圖示比較。
圖4是燃燒設備內的煤主級(Coal-Primary)空氣噴嘴的圖示。
圖5是第一燃燒階段中所發生的重要熱化學反應中的自由能的形成與溫度的關係圖。
在全部以下的詳述中，引述附圖中的相同數字都代表同一部件。
為達到高效除硫，燃燒室的設計必須能保證1)部分氧化的氣體在進入鹼性熔渣-燃氣脫離區之前在該溫度有一適當的停留時間，2)燃料與空氣的緊密混合必須不形成局部的未反應的氧化阱。如果這二個目標能達到，硫就可被鹼所吸收，正如以下反應式所示
(CaO以低共熔態與其它渣化合物共熔)如果氧氣在部分氧化的氣體離開鹼性熔渣-燃氣分離區之前沒有被完全消耗，則任何已被鹼所吸收到的硫都會以雙原子S2的形式釋放出來。在這一階段S2生成主要是按下列反應進行
(CaO以低共熔態與其它渣化合物共熔)熔融鹼在還原反應條件下捕捉硫，但是，當在煤燃燒區還原燃氣時，如果有局部氧氣阱與鹼性硫化物發生緊密接觸，則硫就會以雙原子硫的形式從鹼中釋放。參見圖5中這些反應的自由能的形成。這些反應中的自由能的負性越大，則該反應越易發生。
使用反應性更強的鹼，例如，氫氧化鈣(水合石灰)，硫的吸收速率就會比使用碳酸鈣(石灰石)快。參見圖3。從設計的觀點看，這就意味還原條件下的停留時間是一個重要的設計參數。另一個重要參數是設計燃料/空氣的噴嘴。該噴嘴的設計必須能夠保證燃料與空氣的緊密接觸，同時又要使在鹼性熔渣捕硫區的接觸點所產生的還原氣中不產生氧氣阱。考慮到這些重要參數的燃燒室的設計將在以下討論。
在示於附圖1的實例中，燃燒室10處於加熱爐14的入口12之前。煤粉由開口16進入燃燒室。煤粉箱18通過傳送帶20將煤送往粉碎器22。來自鼓風機24的空氣與煤在文丘裡噴射器23中混合併被噴送到固體混合器/分離器30。鹼，例如水合石灰[Ca(OH)2]自箱26經傳送器28和輸送線29送至文丘裡噴射器31，並在此與來自鼓風機24的空氣相混合。其它可用的鹼有石灰、石灰石、白雲石、天然小蘇打、碳酸鉀和二碳酸氫三鈉。煤粉和水合石灰在混合/分離器30處充分混合後被送到燃燒室10的入口16。在燃燒室10的煤的受控部分氧化，是由對鼓風機76所鼓送的並經空氣預熱器40預熱的熱空氣流67的調節而進行的。
水合石灰亦可由燃燒室10的位置56單獨加入。另一種選擇是將蒸汽流68噴入到燃燒室10中以用於加強硫的吸收。蒸汽的加入量是按蒸汽對燃料的重量比0.1～0.3。
部分燃燒的產物，煤灰部分的熔渣以及無機鹼化合物都在旋風分離室60處進行分離。低共熔的熔渣34含有硫化鈣和其它由煤灰中與鹼性化合物反應所生成的鹼性硫化物都由燃燒室10底部出口36排出。熔渣在水淬滅衝洗系統42處進行淬滅，而灰分則衝洗到沉澱池。
燃燒室10的燃燒區或第一氧化階段單元48的周圍有一水夾套38。在單元48處，噴氣流在溫度為約2200至2600°F時混合，使煤的部分氧化氣體與水合石灰及煤灰緊密接觸。熱的氣態產物由燃燒室10的出口12排入到鍋爐14。水夾套38設計為夾套形式或水壁管結構，它對氣體進行輕微的冷卻，因而當其與次級空氣44發生燃燒時，火焰的溫度得以降低，進而降低熱氧化氮(NOx)的產生。來自鼓風機76的次級空氣44，經過空氣預熱器40後由入口12進入加熱爐，以使燃氣與熱空氣緩慢混合。進入加熱爐入口12的預熱過的空氣量要使總空氣對燃料的化學計量比在1.05至1.25。緩慢的混合產生較少的局部熱區，而這些局部熱區會使加熱爐14排放的氧化氮(NOx)量增高。通過使用燃燒室10，能使煤的部分氧化所產生的大部分(75～80%)熔渣在進入加熱爐14之前，同時也在位於入口12處發生的第二階段燃燒之前就從氣體中除去。
來自燃燒室的煙氣上升並經過加熱爐14的輻射區，再經蒸汽過熱器70和71，通過節能器72和空氣加熱器40而進入除塵器74，例如除塵袋或靜電除塵器。在加熱爐內形成的所有氧化的鹼性硫化物都會由除塵器的排放流75中去掉。除塵器74中的煙氣由引風機78引出並排放到煙囪80。
如圖2所示，燃燒室10具有氣化區54，水合石灰噴入孔56，氣體-熔渣混合區58，以及熔渣分離區60。燃燒室中排出的熔渣經水淬滅/衝洗系統42淬滅後被衝洗走。燃燒室內的第一階段氧化單元48在內部襯有耐火材料46，外面包有水夾套38或水壁管，以使外層金屬壁保持冷卻。
來自空氣介質燃燒分級燃燒室的氧氣，用適宜的燃料/空氣噴嘴以完全消耗掉所需的停留時間為0.05～0.4秒，優選0.1至0.25秒。這就要求燃燒室的部分氧化區具有足夠的體積，從而使在進入氣體/熔渣混合區前，所需的停留時間就得到滿足。
圖4中所示的煤/主級空氣噴嘴，是要設計成在碳質燃料的部分氧化時沒有空氣漩渦。如果有空氣漩渦產生，則由煤的部分氧化所產生的還原氣中就很容易有局部氧氣阱生成。
經預熱的主級空氣67，在有或沒有蒸汽68加入空氣的條件下，進入燃燒室10的預熱空氣區50，並被導向具有30度角錐筒66的外向環隙，並使空氣67進入同心的燃煤流64。送煤管16在其出口52處有一個30度角錐體65。該送煤管的垂直位置由頂端導向裝置82及緊束設置84控制，以使流經環隙的空氣速率用改變供煤/預熱空氣的流動速率而保持固定。在第一階段氧化單元48處的空氣對燃料的化學計量比為0.55至0.8，優選0.6至0.7。
送煤管16的出口噴嘴可以設計為有或沒有內部漩渦葉輪，但在外向環隙空氣入口處則沒有漩渦葉輪。送煤管16的會聚錐體65與迫使空氣67進入燃料流的外向環隙空氣管離垂直方向有15至60度的角，優選的約25～45度。煤的部分氧化是發生在位於煤/空氣噴嘴出口52處的有水夾套38和耐火襯46的燃燒室10中。
結合使用水合石灰作為鹼的本發明的方法對使用石灰石之間的區別和重大改進示於表3中。
以下的實施例給出了使用水合石灰所得到的改善結果。
實施例1實施例2煤:投料速率,磅/小時834856投料速率,MM Btu/小時*10.4 10.8硫(投入),重量%2.472.69鹼:
類型 CaCO3Ca(OH)2投料速率,磅/小時6447Ca/S摩爾比0.971.1空氣:
第一階段化學計量,體積%66.562.8第一加第二階段化學計量,體積%120.8118.0蒸汽:
蒸汽(磅)/煤(磅)0～0.250.25燃燒:
碳轉換,重量%96.996.8塵粒:
第一階段去除,重量%37.422.6旋風去除,重量%34.323.6煙氣中的殘留,重量%28.353.8硫的吸收:
熔渣,重量%1.342.61旋風塵粒,重量%15.1311.15微塵粒**,重量% 14.53 30.94總計,重量%31.0044.70第一階段燃氣***:
H2S ppmv 750～1700 0SO2ppmv 1000～1500 0CS2ppmv 16 0NOx100～700 100NH3ppmv 0第二階段,NOx為NO2:
Lb/MMBtu0.340.36*以幹煤計**按差異計***用Draeger管測量
權利要求
1.一種改進的碳質燃料脫硫方法，其特徵在於該方法包括以下步驟a.將含硫的碳質燃料加入到具有水夾套和第一階段氧化單元的燃燒室中，b.將鹼加入到該第一階段氧化單元中，c.將預熱過的空氣經過錐形噴嘴送入到燃料進管底端與碳質燃料混合，並使在第一階段氧化單元內的預熱過的空氣不產生空氣漩渦，d.在第一階段氧化單元內保持所獲的燃氣熔渣混合物以保證將空氣完全消耗，e.在水淬滅系統將熔渣與燃氣分離，f.將所獲燃氣與另外的預熱過的空氣加入到位於鍋爐的加熱爐入口處的第二階段氧化單元。
2.根據權利要求1所述的改進方法，其中所述的加入到第一階段氧化單元的鹼可以選自石灰、水合石灰、石灰石、白雲石、天然小蘇達、碳酸鉀和二碳酸氫三鈉。
3.根據權利要求2所述的改進方法，其中所述的鹼是水合石灰。
4.根據權利要求1所述的改進方法，其中所述的碳質燃料與鹼在被加入到第一階段氧化單元之前進行混合。
5.根據權利要求1所述的改進方法，其中所述的碳質燃料和鹼被分別加入到第一階段氧化單元內。
6.根據權利要求1所述的改進方法，其中在第一階段氧化單元內的空氣對燃料的化學計量比為0.55至0.8。
7.根據權利要求6所述的改進方法，其中所述的空氣對燃料的化學計量比為0.6至0.7。
8.根據權利要求1所述的改進方法，其中所述的對預熱空氣進行導向的錐形噴嘴包括有會聚錐筒，它連接到燃料管的末端並離垂直方向有15至60度的角。
9.根據權利要求8所述的改進方法，其中所述的連接到燃料管末端的錐筒離垂直方向具有25度至45度角。
10.根據權利要求1所述的改進方法，其中所述的蒸汽與預熱過的空氣一起進入第一階段氧化單元。
11.根據權利要求10所述的改進方法，其中所述蒸汽的加入是按蒸汽對燃料的重量比0.1至0.3。
12.根據權利要求1所述的改進方法，其中所述的燃氣同熔渣混合物在第一階段氧化單元內的停留時間為0.05至0.4秒。
13.根據權利要求1所述的改進方法，其中所述的加入到加熱爐內另外的預熱過的空氣的化學計量比為1.05至1.25。
14.一種含硫煤的脫硫方法，該方法包括a.將煤和鹼以粉狀加入到第一階段氧化單元，鹼可以選自石灰、水合石灰、石灰石、白雲石、天然小蘇達、碳酸鉀和二碳酸氫三鈉，b.將預熱過的空氣通過錐形噴嘴送入到燃料進管底端與煤混合，並使在第一階段氧化單元內的預熱過的空氣不產生漩渦，c.在第一階段氧化單元內保持所獲的燃氣溶渣混合物以保證將空氣完全消耗，d.在水淬滅系統中將熔渣與燃氣分離，e.將燃氣與另外的預熱過的空氣一起導入位於鍋爐的加熱爐入口處的第二階段氧化單元。
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述的鹼為水合石灰。
16.根據權利要求14所述的方法，其中所述的煤和鹼是被分別加入到第一階段氧化單元內。
17.根據權利要求14所述的方法，其中所述的煤和鹼是混合共同加入到第一階段氧化單元內。
18.根據權利要求14所述的方法，其中在第一階段氧化單元內的空氣與燃料的化學計量比為0.55至0.8。
19.根據權利要求14所述的方法，其中所述的會聚錐筒按離垂直方向15度至60度的方式連接到進煤管的末端，預熱過的空氣在通過錐筒後與煤相混合。
20.根據權利要求19所述的方法，其中蒸汽在與煤接觸之前先與空氣混合。
全文摘要
本發明涉及碳質燃料的脫硫方法。該方法包括在燃燒室的第一階段氧化單元內，於亞化學計量空氣條件下燃燒煤碳，以減少來自燃料中的氮產生的NOx，從而減少氧化氮的產生。在第一階段氧化單元內加入水合石灰Ca(OH)
文檔編號C10L9/00GK1105284SQ9411718
公開日1995年7月19日 申請日期1994年10月20日 優先權日1993年10月20日
發明者羅伯特·A·阿什沃斯 申請人:佛羅裡達能源公司