CN100572915C - 减少循环流化床锅炉二氧化硫排放的方法 - Google Patents

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Abstract

一种减少循环流化床锅炉(10)二氧化硫排放的方法,其包括以下步骤:将含硫碳质燃料进料(26)到燃烧室(12)中;将碳酸钙以使Ca/S摩尔比为至少0.6并且小于1.2的速度或者以提供递增减硫速度为至少0.355的足够低的速度进料(28)到燃烧室中;使燃料燃烧,以便使硫氧化;将碳酸钙锻烧为氧化钙并且利用氧化钙使二氧化硫硫酸盐化;从燃烧室中排出烟道气和烟道气中所夹带的颗粒;从烟道气中分离(14)颗粒,并且将被分离的颗粒返回到燃烧室;和进一步地在燃烧室下游减少烟道气的硫含量。

Description

减少循环流化床锅炉二氣化疏排放的方法

技术领域

本发明涉及一种通过在烟道气路径中加入减疏段来减少循环流化

床(CFB)锅炉二氧化疏排放的方法. 背景技术

碳质燃料如煤在包括至少一种通常惰性材料如沙和减二氣化硤 (sulfur dioxide-reduction)添加刑如石灰石的床中的CPB锅炉的燃 烧室(furnace)中燃烧.流态化气体(通常为空气)通过反应器的底部格 栅引入以使床材料流化并且使燃料氣化.同时,燃料中的疏主要氣化 而形成二氧化碗(S0》,如果其大量排放到环境中可能是有害的.在燃 烧室中占主导地位的高温下,通常750TC-9001C,石灰石的碳酸钙 (CaCO,)被锻烧而形成氣化锔(Ca0),其将S02转化为碟酸钙(CaSOO , 其可以从燃烧室中随燃烧中产生的灰一起被排出.

虽然单独通过将减二氧化疏添加剂,通常为石灰石(碳酸钙)直接 进料到燃烧室中,可以在CFB锅炉中获得较好的减硤效率,但为在燃 烧室中实现98X或者更好的减排效率,必须将减排添加剂以相对于燃料 中的疏过量的方式进料到燃烧室中,例如,尽管石灰石经常以提供Ca/S

摩尔比为至少1. 5-3的速度被添加,但为了实现9M以上的非常高的 减排效率,需要Ca/S比高达4-5.由于上述高Ca/S比,从燃烧室排 出的底灰和飞灰总是包含大量过多的Ca0,典型地大于20X,这使得灰 的使用或处理困难.

另一个与CFB燃烧室中的常规减疏工艺有关的问趙是煅烧碳酸钙 是吸热反应,反应能为178.4kJ/kmol.因而,煅烧过多量的石灰石形 成氣化钙降低了锅炉的热效率.例如,当燃烧含疏2X的煤时,为了实 现减疏98X,以提供Ca/S比为5的速度引入石灰石,煅烧所需的能量 降低锅炉热效率约2、

美国专利No. 4, 309, 393公开了一种用于流化床锅炉的减疏方法, 其中将石灰石添加到燃烧室中,Ca/S比为l-1.5,以便在燃烧室中提 供30-60X的减疏.在燃烧室中产生的灰,其包含大量Ca0,被收集并处理以用于设置于反应器下游的烟道气管道中的另一个减硫段。 发明内容

本发明的目的是提供一种减少循环流化床锅炉二氣化硤排放的高 效方法.

根据本发明的优选实施方案, 一种减少循环流化床锅炉二氣化硫

排放的方法,其包括以下步騍:

(a) 将包括含疏碳质燃料的第 一物流进料到锅炉的燃烧室中;

(b) 将包括碳酸钙的第二物流以相对于第一物流的速度(rate)进 料到燃烧室中,使得笫二物流中的钙与笫一物流中的疏的摩尔比(Ca/S 摩尔比)为约1.2-约0.6,

(c) 使燃料燃烧,使得疏被氣化而形成二氣化硫并且在燃烧室中产 生灰;

(d) 锻烧碳酸钙以在燃烧室中形成氣化钙并且利用氣化钙使二氧 化硫硫酸盐化而形成硤酸钙;

(e) 从燃烧室中排出烟道气和烟道气中所夹带的颗粒;

(f) 使用热回路分离器从烟道气中分离颗粒,并且将被分离的颗粒 返回到燃烧室;

(g) 从锅炉中排出灰;和

(h) 进一步地在燃烧室下游的减疏段中减少烟道气的硫含量. 为了减少硫的排放,常规CPB锅炉通常单独依靠在燃烧室中的减

疏,然而近年来,由于期望的减碟水平已变得髙达98^通过仅将石灰 石进料到燃烧室来减硫需要使用非常高的石灰石进料速度,相当于 Ca/S比高达5或者更大,这反过来增加了减疏添加刑成本,降低了锅 炉的热效率,并且导致产生大量的富含CaO的灰.为了将这些缺点降 到最低,可以通过引入进一步的燃烧室下游的减疏段(即在烟道气路径 中)来满足期望的减硤.

本发明因而涉及一种用于在CFB锅炉中减疏的有利工艺,其包括 在烟道气路径中的上述进一步的减疏段.本发明特别涉及一种新方法, 其包括将减硫添加刑以有利的进料速度引入上述锅炉的燃烧室中'本 发明基于以下发现:使用低于通常所用的减硫添加剂的进料速度导致 在CFB锅炉的运转中新的且重要的益处.

当以固定速度将含疏燃料进料到CFB锅炉的燃烧室中时,在燃烧室中二氧化硫疏酸盐化形成硫酸钩的速度随Ca/S比的增加(即随碳 酸钙进入燃烧室的进料速度的增加)而增加。在低Ca/S摩尔比时, 硫酸盐化的速度与碳酸钙的进料速度基本上呈线性关系,但在较高 Ca/S比时,硫酸盐化的速度变平,最后硫转化率达100%。相应地, 碳酸钙的利用率在低进料速度时比其在高进料速度时更高。

假定全部进料到燃烧室的碳酸钙被锻烧而在燃烧室中形成氧化 钙,煅烧中的能量消耗与碳酸钙的进料速度呈线性比例关系。然而, 二氧化硫硫酸盐化而形成硫酸钩是一个放热反应,释放502, 4kJ/kniol 的热,这大于煅烧所需的热178.4kJ/kmo1。因而,在较低Ca/S比时, 增加碳酸钙的进料速度增加了在燃烧室中释放的净热,但在较高Ca/S 比时,增加碳酸钙的进料速度降低了在燃烧室中释放的净热,

根据热效率,优选的碳酸钩进料速度取决于硫酸盐化的速度对 Ca/S比的依赖性。相反,这种依赖性取决于燃料类型,特别是燃料 的硫含量以及燃烧室的设计与操作。现已得出,在一般状况下,根据 燃烧室的热效率,约1. 0的Ca/S摩尔比是优选的。更具体地说,只 要递增的减硫为至少约35, 5%,即当份额为至少约0. 355, 178. 4kJ/kmo1与502. 4kJ/kmo1之比的所添加的碳酸钩被转化为硫酸 钙,增加碳酸钾的进料速度就增加了热效率。

如果碳酸钩的进料速度高于上述限定的最佳值,在燃烧室中硫转 化率仍然被强化,但降低了热效率并且增加了灰中的氧化钙的量。相 应地,当碳酸钾的进料比低于上述限定的最佳值,在燃烧室中硫转化 率和在燃烧室中热效率略有下降,但降低了灰的氧化钙含量。根据本 发明,碳酸钙优选以约高达或略低于在燃烧室中提供最佳热效率的进 料速度的速度进料到燃烧室中。

优选的Ca/S比通常是约1. 0。然而,锅炉的热效率典型地是Ca/S 比的较浅作用(shallow function),并且最佳值有时候可以不是1. 0。 例如,当燃烧低硫燃料时,或者当硫酸盐化不是非常高效时,例如由 于减硫添加剂的较大粒径或者在热回路中低效的颗粒分离器,最佳的 Ca/S比可以略大于1. 0,例如,约l. l或者l. 2。

有时候,用作减硫添加剂的石灰石可包含杂质,特别是白云石, 其在燃烧室中消耗能量,但是不参与疏酸盐化工艺。于是,添加刑的 有效煅烧热高于178.4kJ/kmol,并且递增的硫酸盐化率的临界值高于上述的35. 5X.因而根据热效率,最佳的添加刑进料速度低于纯碳酸 钙的情况,并且通常得到的Ca/S比略小于1. O,例如,约0. 9或者0. 8。

根据本发明的优选实施方案,减砥方法包括在燃烧室中强化碳酸 钙平均利用效率的步稞.优选地,进行强化碳酸钙利用效率的步騍使 得效率大于约60X,当碳酸钧物流进料速度大约与根据锅炉的热效率的 其最佳值相同或略低于该最佳值.碳酸钙利用效率在实践中可以由灰 中不同的钙化合物的含量来确定.

根据本发明的另一个优选的实施方案,减硖方法包括在燃烧室中 强化硫酸盐化效率的步骤.优选地,进行强化疏酸盐化效率的步骤使 得在燃烧室中减少二氣化碗的程度大于约60、当碳酸钙物流进料速度

大约与根据锅炉的热效率的其最佳值相同或略低于该最佳值.在燃烧 室中减少二氣化疏的程度在实践中可以通过分析燃烧室和燃烧室下游 的减少二氣化疏段之间的烟道气来确定.

强化碳酸钙利用效率或者疏酸盐化程度的步錄可有利地包括将从 锅炉排放的底灰和/或飞灰再循环回燃烧室中,灰的再循环强化了进料 到燃烧室中的碳酸钙的利用率,因此改善了 二氧化疏减少程度对原始 进料物流的Ca/S比的依賴性.通常,灰的再循环使得最佳的Ca/S比 移动到下限值,并且强化了本发明的有利效果.

强化砥酸盐化效率或者硖酸盐化程度的步骤可有利地包括选择或 者制备平均粒度小于约200 pm的减疏添加刑,或者另外,强化硤酸盐

化效率或者疏酸盐化程度的步骤可有利地包括在热回路中使用颗粒分 离器,其对于平均直径为200Mm的颗粒的分离效率为至少约99.9、 强化碟酸盐化效率或者破酸盐化程度的步稞也可包括其它已知工艺, 如强化颗粒在燃烧室中的混合或者调整锅炉中的温度或其它条件以便 提供破酸钙的快速煅烧.

未在燃烧室中进行的期望的减硤部分优选通过干减硤工艺、半干 减硫工艺和湿减碟工艺中的一种在燃烧室下游进行.各种合适的干减 疏工艺、半干减破工艺和湿减疏工艺为本领域技术人员所熟知,因此 未在本文中描述.

根据本发明的另一个优选的实施方案,减少循环流化床锅炉二氣 化硫排放的方法包括以下步骤:

(a)将包括含碟碳质燃料的第一物流进料到锅炉的燃烧室中;(b) 将包括碳酸钙的笫二物流以相对于第一物流的速度进料到燃

烧室中,使得笫二物流中的钙与第一物流中的硫的摩尔比(Ca/S摩尔 比)为至少约0. 6,并且在足够低的速度下以提供至少约0. 355的递 增减硫率;

(c) 使燃料燃烧,使得硫被氧化而形成二氧化硫并且在燃烧室中

产生灰;

(d) 锻烧碳酸钙以在燃烧室中形成氣化钙并且利用氧化钩使二氧 化硫硫酸盐化而形成石危酸钾;

(e) 从燃烧室中排出烟道气和烟道气中所夹带的颗粒;

(f) 使用热回路分离器从烟道气中分离颗粒,并且将被分离的颗 粒返回到燃烧室;

(g) 从锅炉中排出灰;和

(h) 进一步地在燃烧室下游的减硫段中减少烟道气的硫含量。 附图说明

以上简要说明、以及本发明进一步的目的、特征和优点将通过参 考以下本发明优选的但仍为说明性的实施方案的详细说明并结合附 图得到更全面的理解,其中:

图1是根据本发明的CFB锅炉的示意图;

图2是在CFB锅炉中与Ca/S比有关的不同反应热的示意固。

具体实施方式

图1示意地举例说明根据本发明的CFB锅炉IO的优选实施方案。 该锅炉包括燃烧室12、旋风分离器14和烟道气通道16,其用于使从 燃烧室排出的烟道气通过烟囱18通到环境中。燃烧室12包括用于将 一次空气通过底部格栅22进料到燃烧室的装置20和用于在燃烧室的 较高位置水平处引入二次空气的装置24。用于将一次空气进料到燃 烧室的装置20可包括,例如,泵、具有流量控制器的管道和风箱。 用于引入二次空气的装置24可包括例如,分支管道和流量控制器。 二次空气可以在多个位置水平上引入,但为了清楚的缘故,在图1中 显示了单个位置水平。虽然未在图l中举例说明,但是烟道气通道

16可任选地包括热量回收区。

燃烧室12还包括用于将燃料进料到燃烧室的装置26和用于将减 硫添加剂如石灰石进料到燃烧室的装置28。用于引入燃料和减硫添加剂的装置26和28可包括例如,进料斗或者进料桶、具有进料输送器 如皮带或进料螺杆的进料道、进料器斜道、或者气动进料系统。用于 引入燃料和减碟添加刑的装置26和28可进一步分別包括用于控制燃 料和添加刑的进料速度的装置30和32.用于控制燃料和添加刑进料速 度的装置30和32可包括例如,进料速度控制器或者补给气体控制器。

在烟道气通道16中,另一个减疏段34被置于燃烧室12的下游, 该段可包括干减硤设备、半干减疏设备和/或湿减疏设备,不同类型的 这些设备本身是众所周知,因此未在本文中描迷.减碗段3々有利地包 括装置36,其用于以干颗粒或者半干颗粒的形式或含水泥浆的形式添 加第二减硫添加刑,例如氢氣化钙,用于添加第二减疏添加剂的装置 36可包括例如,喷管或者喷洒系统.

未燃烧的燃料以及疏酸钙和过多氧化钙通过底灰排出管道4 0从燃 烧室12排出以及通过灰尘分离器44的飞灰排出管道42从烟道气中排 出。灰尘分离器44可有利地是静电灰尘分离器或者袋式过滤器。虽然 在图l中,所示减硤段34被置于灰尘分离器44的下游,但是有时候 它可有利地被置于灰尘分离器的上游.锅炉也可包括未明确地显示于 图1中的其它炉气净化设备,例如NOx催化刑.

为了使灰的氣化钙含量最小化, 一部分底灰可以被转移通过管路 40'和/或一部分飞灰可以被转移通过管路42',以通过再循环管路46

再循环到燃烧室12.灰的再循环强化碳酸钙利用的程度和减少二氣化 硫排放的程度,再循环管路46可有利地包括灰处理段48,其中例如, 灰颗粒可以被润湿或者被破碎以在颗粒中使活性CaO表面暴露.底灰 或者飞灰的再循环速度优选分别通过装置50和52控制,基于灰中的 CaO水平或者从燃烧室排出的烟道气中的S(h水平.用于控制灰再循环 速度的装置50和52可包括例如,阀或者流化床分流器.

优选地,根据如上所述方法,碳酸钙的利用程度被强化至约60% 或更大.优选地,在燃烧室中疏酸盐化效率,即减疏的程度,被强化 至约60X或更大.

但使用常规石灰石进料速度和CFB燃烧室温度(即7 5 0-9 00 "C)时, 全部进料到燃烧室中的碳酸钙被锻烧成氣化钙,因而,煅烧所需的能 量与石灰石进料速度或者Ca/S比呈线性比例关系,如图2中的线1所 示。相应地,随着Ca/S比增加,二氣化砥硤酸盐化和砥酸盐化能量释放增加,但斜率下降.硫酸盐化能量对Ca/S比的依赖性的两种稍有不 同的变化由困2中的线2和"显示.线2'表示了一种比由线2表示的 疏酸盐化工艺效率略高的疏酸盐化工艺,

由线3和3'表示的净能量释放函数分别是线1和2以及线1和2' 的总和.当Ca/S比约为1. 0时,线3达到其最大值,而当Ca/S约0. 9 时,线3'到达其最大值,两个最大值点都是在其中疏酸盐化能量曲线 2和2'分別具有相同斜率4和4'的Ca/S比的情况下出现.该斜率4 和 〃 与线1的斜率相反,使得总曲线3和3'在其最大值点时是水平的。

优选地,约1. 0或者略小于1. 0的Ca/S比用于在烟道气路径中包 括进一步的减疏步猓的CFB锅炉的燃烧室.当在燃烧室减碗和Ca/S比 之间的关系是正确已知时,在燃烧室中提供约0. 355或更大的递增减 硫速度的石灰石进料速度是优选的.该0. 355值相当于煅烧反应热和 疏酸盐化反应热的比值,分别为178. 4kJ/kmo1和502. 4kJ/kmo1.更 高的石灰石进料速度,即,其中小于0. 355的被添加的石灰石进行疏 酸盐化的那些,导致热效率降低,因此逊于与本发明有关的使用最佳 值.

在燃烧室下游的烟道气路径中加入减疏段的固定成本是较高的。 本工艺的生产能力取决于泵数和该系统的喷洒水平,但通常固定成本 不强烈依赖于本工艺中所期望的减疏的量,因而,根据固定成本,使 下游减碟最小化不是特别有益的.下游工艺的不定成本典型地与减硫 速度呈线性关系.通常,下游减硤工艺需要比燃烧室型工艺更昂贵的 添加刑.然而,在下游工艺中添加刑的利用程度通常是非常高的,至 少在一些工艺中处理成本是较低的.

对于燃烧室型减^来说,固定成本是较小的.不定成本非线性地 信赖于减硫的期望水平,由于上述对热效率的影响和灰中Ca0的有害 增加,

已经发现特別有利的减硖方法通过将在燃烧室中的减硫和下游减 硫段的结合来获得,其中仅有限数量的减疏在燃烧室中发生,根据本 发明的优选实施方案,通过在燃烧室中提供约1.2或以下的Ca/S摩尔 比来限制在燃烧室中减疏.Ca/S比优选为约1. 2-约0. 6,更优选约1. 2-约0. 8,最优选约1. 2-约0, 9.

有时候,通过在燃烧室中提供约L 0或以下的Ca/S摩尔比来有利地限制在燃烧室中减硫.在这些情况下,Ca/S比优选为约1. 0-约0. 6, 更优选约1. 0-约0. 8,最优选约1. 0-约0. 9,

最优选的Ca/S比根据燃烧室减硖对Ca/S比的依赖性而改变.如 果燃烧室的咸排是特别有效的,根据热效率最优选的Ca/S比可以略小 于l.O.如果燃烧室的减排不是很有效,那么最优选的Ca/S比可以略 大于1. 0,例如约1. 2.本发明可以有利地与常规强化燃烧室减硤的措 施结合,如粒度控制和/或灰的再循环,由此可以降低在燃烧室中最佳 的Ca/S比,

根据本发明的优选实施方案,Ca/S比约为1. 0或略小于1. 0,从 燃烧室排出的底灰和/或飞灰作为床材料被再循环到燃烧室以通过在 燃烧室中使用它进行减疏来减少灰中Ca0的量。优选地,灰被再循环 到燃烧室以便提供原始进料碳酸钙的利用程度为大于约60、由此从燃 烧室排出的灰的处理或者利用变得较容易.更加优选地,灰被再循环 到燃烧室以便在燃烧室中提供减二氣化疏程度为大于约60、用于再循 环底灰和/或飞灰的回路可有利地包括用于处理灰的段,例如通过破碎 灰颗粒以使活性CaO表面暴露.

在实例中,基于对400兆瓦(MWe)CFB锅炉燃烧褐煤的计算,通过 用燃烧室和烟道气减硤段间的减碗拆分来代替单独在燃烧室中减硫, 总发电厂净热效率收益从40. 75N提高到41.60X.在两个案例中,获得 了相同的总碗减排量.0. 85个百分点的净效率收益有重要的经济价值。

在以上实例的拆分减碟方式中,在燃烧室中Ca/S摩尔比接近1. 0, 而在基于仅在在燃烧室中减碟的案例中,该比值约为4.在拆分减排方 式中,钙同样在下游减排段进料,但总钙消耗量仅约为燃烧室型减排 方式中钙消费量的44X.因而,根据本发明使用拆分减統工艺,使灰和 废物处理问趙最小化,

尽管本发明在本文中通过与目前所考虑到的最优选实施方案有关 的实例进行了描述,应将理解的是本发明不局限于所公开的实施方案,

而是意图涵盖包括在如所附权利要求所限定的本发明范围内的本发明 各特征和若干其它应用的各种结合或改进。

Claims (12)

1.一种减少循环流化床锅炉二氧化硫排放的方法,其包括以下步骤: (a)将包括含硫碳质燃料的第一物流进料到锅炉的燃烧室中; (b)将包括碳酸钙的第二物流以相对于第一物流的速度进料到燃烧室中,使得第二物流中的钙与第一物流中的硫的摩尔比为至少0.6,并且在足够低的速度下以提供至少0.355的递增的减硫率; (c)使燃料燃烧,使得硫被氧化而形成二氧化硫并且在燃烧室中产生灰; (d)锻烧碳酸钙以在燃烧室中形成氧化钙并且利用氧化钙使二氧化硫硫酸盐化而形成硫酸钙; (e)从燃烧室中排出烟道气和烟道气中所夹带的颗粒; (f)使用热回路分离器从烟道气中分离颗粒,并且将被分离的颗粒返回到燃烧室; (g)从锅炉中排出灰;和 (h)进一步地在燃烧室下游的减硫段中减少烟道气的硫含量。
2. 权利要求l的方法,其中进一步地减疏是通过干减硫工艺、 半干减硫工艺和湿减硫工艺中的一种来进行的。
3. 权利要求l的方法,其还包括在燃烧室中强化碳酸钙利用效 率的步骤.
4. 权利要求3的方法,其中进行强化碳酸钙利用效率的步骤从 而使得大于60%的碳酸钧被利用以使二氧化硫硫酸盐化来形成硫酸 钙。
5. 权利要求3的方法,其中强化碳酸钙利用效率的步驟包括使 灰再循环到燃烧室。
6. 权利要求3的方法,其中强化碳酸钙利用效率的步骤包括将 进料到燃烧室中的碳酸钙的平均直径限制为小于200pm。
7. 权利要求3的方法,其中强化碳酸钙利用效率的步骤包括配 置热回路分离器以对于直径为200n迈的颗粒的分离效率为至少99. 9%。
8. 权利要求l的方法,其还包括在燃烧室中强化硫酸盐化效率的步骤。
9. 权利要求8的方法,其中进行强化硫酸盐化效率的步骤使得 在燃烧室中大于60%的二氧化硫被转化为*危酸钓。
10. 权利要求8的方法,其中强化硫酸盐化效率的步骤包括使灰 再循环到燃烧室。
11. 权利要求8的方法,其中强化硫酸盐化效率的步骤包括将进 料到燃烧室中的碳酸钙的平均直径限制为小于200nm。
12. 权利要求8的方法,其中强化硫酸盐化效率的步骤包括配置 热回路分离器以对于直径200 pm的颗粒的分离效率为至少99. 9%。
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