CN101707883B - 降低来自燃煤锅炉中的汞 - Google Patents

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Abstract

公开了用于以最小成本实现电厂的汞排放降低的方法和系统。燃烧室和吸附剂注入器的参数被操纵以控制灰烬中残留碳和注入的吸附剂。这两个要素相组合以将废气中的汞降低至可接受水平。

Description

降低来自燃煤锅炉中的汞
相关申请的交叉引用
本申请要求于2007年4月20日提交的名为“Reduction ofMercury from a Coal Fired Boiler”的美国临时专利申请No.60/912,929的优先权，并在此根据35U.S.C 119(e)要求优先权权益，此处通过引用并入其全部内容以作参考。
技术领域
本发明涉及燃煤锅炉系统且更具体地涉及从这种系统降低汞排放。
背景技术
汞(Hg)被认为是有害空气污染物且是空气中毒性最大的易挥发金属之一。元素汞蒸汽可以从排放源广泛散布。其他形式的汞污染物包括在植物和动物中积累的有机和无机化合物。汞是煤矿物质的组成部分。其从燃煤电厂的排放被怀疑是环境汞的主要来源。
各种“后燃烧”技术可用于降低来自燃煤电厂的汞排放。活性碳注入(ACI)是可用于控制燃煤电厂的汞排放的很多“后燃烧”技术之一。ACI技术通过向烟气气流注入活性碳实现。蒸发的汞被活性碳吸收，因为活性碳是颗粒状的，其然后通过下游的颗粒控制装置被移除。已经在诸如WEPCO Pleasant Prairie电厂之类的各种燃煤电厂执行了一些小规模或完全规模的ACI技术测试。这些测试显示，使用ACI技术可以成功地捕获汞。然而，作为吸附剂的注入碳的使用是相当昂贵的，因为吸附材料的成本约占据了汞去除处理的总成本的60％至70％。尽管ACI当前被认同为捕获汞的方法，在未来更有望开发其他“后燃烧”技术。
已经进行了用于确定从灰烬中残留碳(RCA)降低汞的效率的其他研究，该RCA通常源于燃烧过程。RCA被定义为来自燃烧室内没有充分与氧气反应的燃料源(煤)的碳的部分。RCA有时被称为灰烬中的碳(CIA)或未燃尽碳(UBC)且典型地以百分比(％)(碳质量/全部灰烬质量＝％CIA)来测量。依赖于包括煤类型、反应区域中的温度和局部扰动的各种因素，RCA可以有效地离析(sequester)1％至60％的汞。
因而，可用于汞去除的全部离析材料来自两个来源。RCA出现在燃烧室内，且在燃烧之后添加各种后燃烧吸附剂(PCS)，其中ACI具有最高的当前市场接受度。来自后燃烧吸附剂的最佳贡献依赖于飞灰(RCA)内的碳含量，因为RCA提供初始捕获，该初始捕获根据其他处理条件而变化。其他处理条件包括影响PCS方法的最佳汞吸收的那些因素，特别包括局部气体温度和反应区域中的扰动水平。因此，对于整体汞去除的最佳PCS贡献必须依赖于来自燃烧RCA的汞吸收。
因此，希望自动实现PCS和RCA对于整体汞降低的最佳或平衡贡献，以由此最小化吸附剂的使用且实现汞去除的成本降低。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种用于控制发电设施的系统，该发电设施包括燃烧室和后燃烧吸附剂添加装置，该燃烧室排放废气。该系统包括处理器、用于存储信号的一个或多个存储单元以及存储在该一个或多个存储单元中且在被处理器执行时引起该系统执行一种方法的软件程序指令。接收指示废气中的灰烬中残留碳量的测量值。接收指示废气中的汞量的测量值。接收指示燃烧室效率的测量值。给锅炉效率分配经济有效值。给吸附剂分配经济有效值。给灰烬中残留碳分配经济有效值。针对废气设置预定目标汞水平。基于分配给锅炉效率的经济有效值、吸附剂的经济有效值以及灰烬中残留碳的经济有效值的平衡，确定待添加到废气中的吸附剂的目标量以及将在燃烧室中形成的灰烬中残留碳的目标量。吸附剂和灰烬中残留碳的目标量和吸附剂与灰烬中残留碳的最经济有效比相关。对燃烧室和后燃烧吸附剂添加装置的控制则根据目标吸附剂和灰烬中残留碳来操纵。
根据本发明的另一方面，提供一种控制发电设施的方法。该发电设施包括燃烧室和后燃烧吸附剂添加装置，其中该燃烧室排放废气。接收指示废气中的灰烬中残留碳量的测量值。接收指示废气中的汞量的测量值。接收指示燃烧室效率的测量值。给锅炉效率分配经济有效值。给吸附剂分配经济有效值。给灰烬中残留碳分配经济有效值。针对废气设置预定目标的汞水平。基于分配给锅炉效率的经济有效值、吸附剂的经济有效值以及灰烬中残留碳的经济有效值的平衡，确定待添加到废气中的吸附剂的目标量以及将在燃烧室中形成的灰烬中残留碳的目标量。吸附剂和灰烬中残留碳的目标量和吸附剂与灰烬中残留碳的最经济有效比相关。对燃烧室和后燃烧吸附剂添加装置的控制则根据目标吸附剂和灰烬中残留碳来操控。
根据本发明的又一方面，提供一种用于控制发电设施的系统。该系统包括燃烧室，该燃烧室排放废气。该系统包括位于燃烧室中的第一反应区域。吸附剂注入器位于该第一反应区域的下游。第二反应区域位于吸附剂注入器的下游。汞分析器位于该第二反应区域的下游。提供处理器以及用于存储信号的一个或多个存储单元。软件程序指令被存储在该一个或多个存储单元中且在被处理器执行时导致系统执行一种方法。灰烬中残留碳在第一反应区域中产生。吸附剂在第二反应区域注入。在汞分析器处测量废气中的汞量。确定吸附剂的成本。确定灰烬中残留碳的成本。在汞分析器处为废气设置预定目标汞水平。注入吸附剂的速度和将在第一反应区域中形成的灰烬中残留碳的目标量基于灰烬中残留碳的成本和吸附剂的成本的平衡确定。对燃烧室和吸附剂注入器的控制根据确定的吸附剂注入速度和目标灰烬中残留碳来操纵。
附图说明
图1示出具有汞控制系统的燃煤蒸汽发电机的典型配置。
图2示出了从燃煤电厂排放的汞去除率的模型。
图3示出了一种基于图2的模型的、优化汞去除过程和锅炉效率的、基于闭环模型的控制器的方框图。
图4示出了可以使用本发明的汞排放降低过程的典型在线系统。
具体实施方式
图1绘出了发电系统10，其包括具有汞控制系统14的燃煤蒸汽发电机12。该系统包括下述一些组件以促进汞去除和优化。在蒸汽发电机12中示出的字母BE表示用于计算锅炉效率(BE)的实时方法。计算BE的最常见和最被接受的方法是通过使用ASME标准。本发明的计算的意义在于由干气损耗和未燃尽碳(UBC)限定的效率考虑。出于描述本发明的目的，UBC和RCA相同。
在蒸汽发电机12的燃烧气体出口12b处示出的字母TE表示PCS附近的燃烧气体的温度的测量值。在PCS与燃煤蒸汽发电机12的废气中的汞进行反应的区域14a中，针对每种PCS方法，监控特定过程测量值，且这些过程测量值被优化以改善各种PCS方法其中每一个的吸收效率。这些过程测量值包括但不限于气体温度、流速以及扰动因素，且除了TE测量之外，可以通过合适且公知的仪器来测量。
汞控制系统14位于蒸汽发电机12的燃烧气体出口12b处。发电系统10包括第一和第二汞离析反应区域12a和14a。第一汞离析反应区域12a位于蒸汽发电机12内，其中形成RCA以离析汞。第二汞离析反应区域14a位于蒸汽发电机12的下游，处于汞控制系统14内。
在图1所示的实施方式中，汞控制系统14包括图1中的字母M指示的两个汞分析器16。分析器16可以是真实装置或是虚拟在线分析器(VOA)，在汞离析反应区域之前和之后测量汞的真实或预测水平，以判定各种汞吸收阶段的相对效率。因而，第一分析器恰好就在第一反应区域12a之后，测量第一反应区域12a之后的汞的真实或预测水平，且第二分析器恰好在第二反应区域14a之后，测量第二反应区域14a之后汞的真实或预测水平。
汞控制系统14还包括吸附剂注入器18和颗粒尺寸检测器19。吸附剂注入器18引入汞吸附材料到气流中。吸附材料例如可以包括ACI。
图1中示出的其他组件是构成典型的燃煤蒸汽发电机的组件。这些组件包括：锅炉或者燃烧室12e，第一汞离析反应区域12a位于其中，且燃料和空气在其中混合且燃烧；各种热吸收装置12c和12d，其传递从燃料和空气的燃烧获得的热量到例如水或蒸汽这样的第二介质，使得该流体可用于提供机械功，诸如为建筑物供热或者使得涡轮机转动以产生电力；用以从烟气气体流去除飞灰的装置，诸如静电除尘器(ESP)10a；以及排气管或烟囱10b，提供方便的位置以从发电系统10排除烟气且分散废气到远离人的大气中。
现在参考图2，示出了从燃煤电厂的排放汞去除率的模型20。模型20包括锅炉模型22和汞去除模型24。锅炉模型22的输入是对UBC和BE值具有最大影响的锅炉燃烧控制变量。这些变量包括但不限于温度、馈送率和空气分布信息。
所选的变量根据燃料类型和燃烧系统配置而变化。作为模型22的输入的锅炉燃烧控制变量的最终选择基于现场测试和经验数据的使用。被输入到汞去除模块24的锅炉模型22的输出包括碳含量(RCA)和BE以及可以根据锅炉12的燃料类型和燃烧系统配置而变化的其他输出。RCA主要通过使用在线UBC仪器而得出。这种仪器的一个示例是ABB销售的CIA仪器，其功能在此处通过引用并入其公开的共同拥有的美国专利6,490,909中描述。图1的锅炉出口12b处的碳密度和灰密度的在线测量在模型22中的计算中使用，包括用于作为正常锅炉操作的一部分出现的气体质量流变化的补偿。
模型24的其他输入是PCS 26，其中ACI被认为是最常用的汞捕获方法之一。因而，第一阶段有多少汞在图1的锅炉出口12b被去除影响着PCS的吸附剂使用。锅炉出口12b处的汞去除率依赖于很多变量，包括飞灰中碳含量以及燃烧条件。
利用上述输入，给定从模型22和PCS 26馈入的当前条件，模型24提供汞去除率的当前预测以及关于该去除率将会如何的未来预测。例如，如果与某些锅炉相关的条件变化，模型22将为模型24提供自锅炉12的汞去除率将变化的输入。例如，如果来自模型22的输入表示从锅炉中的汞去除率将朝较少去除方向变化，则给定这些信息以及基于PCS 26的汞去除的当前状态，从模型24输出的汞去除率也修订为下降。模型22和24可以以本领域技术人员公知的方式从第一原理和经验建模技术的组合得出。
现在参考图3，示出了优化汞去除过程32和锅炉12的效率的基于闭环模型的控制器的方框图。控制器(部分上)使用图2的模型20构建。优化器30的输入特别是可以如上结合图1的描述而计算的锅炉过程变量，Hg测量值30a、RCA测量值30b和锅炉效率BE 30c。
从优化器30输出到锅炉12的输出30d包括那些与燃烧相关的操作变量，例如，空气和燃料分布以及过剩空气水平，发现这些变量都对锅炉操作具有影响且尤其与锅炉效率和未燃尽碳(UBC)率高度相关。可用的燃烧相关操作变量根据燃烧系统和在每个锅炉中发现的燃料类型而有所不同。不管燃烧系统和燃料类型如何，通过测试方法经验地获得对于哪些变量与BE和UBC率具有高度关联的确定，在所述经验方法中，变量被操作且操作的结果被记录和评估。除了其他统计学方法之外，评估方法包括但不限于敏感性分析。
使用上述Hg测量值30a、RCA测量值30b和锅炉效率30c的上述输入，优化器30评估优化的PCS和锅炉操作要求以实现燃煤电厂的最大经济有效的整体操作。
假设操作员设置锅炉效率与PCS使用的目标，且给定燃煤蒸汽发电机12的当前操作条件，则优化锅炉操作计算是基于在高锅炉效率和高RCA率之间实现最佳经济解决方案。用于得出该计算最优的方法是基于将RCA的经济有效值实时确定为代替对于相同RCA的PCS对损失BE值。用于PCS的当前经济有效值从材料的实时成本确定。优化器30然后评估PCS的总成本对锅炉效率且确定最佳经济解决方案。
优化器30中的上述优化策略可用于有效地控制RCA。优化器30有效地控制诸如空气和燃料分配以及过剩气体水平之类的燃烧相关操作变量。另外，RCA信息用于提供PCS系统的补充汞降低的预期行为，该PCS系统也由优化器30有效地控制。从模型20可以意识到，从增加的RCA获得的改善的汞降低导致对于PCS 26需求降低。
从上述描述应当意识到，锅炉12内的燃烧条件影响飞灰中的碳含量以及汞的离析。除了其他受控和非受控现象之外，燃烧条件受蒸汽发电机负荷的影响。倘若考虑发电的总成本以及受RCA水平影响的副产品(飞灰)的收益，结合现有技术锅炉控制和诸如分布式控制系统和CIA之类的仪器，存在能够由优化器30确定的全局优化点。
在给定的RCA率，优化器30可以预测实现设定汞去除目标(即，多少汞将被去除)以及留在排气管10b中的可接受汞水平所需的PCS流，以及可以预测该所需的PCS流速的成本，例如，针对该水平的汞离析可接受的最大成本。使用优化器30理解的燃烧相关吸收和PCS吸收的成本，优化器30现在可以优化PCS对UBC成本，且因而发现提供最经济的最佳或最优解决方案以满足汞去除目标。现在参考图4，示出了可用于实施上述本发明的汞排放降低过程的典型在线系统40。系统40包括其中存储有执行汞排放降低过程的软件程序的计算装置42，诸如台式计算机或膝上型计算机。软件程序包括上述所有步骤。
计算装置42可以包括软件程序，或者软件程序可以保存在包括但不限于CD-ROM或闪存驱动的介质上，这些介质与装置42接口连接，使得程序可以被装载到计算装置42。备选地，软件程序可以通过连接到计算装置42的PC网络44下载到装置42。PC网络44可以是连接或可连接到因特网的内联网。在任一种情况下，网络44允许执行汞排放降低过程的软件程序被从装置42所处的相同站点或者远离装置42所处站点的另一站点下载。
系统40还包括可以是分布式控制系统(DCS)形式的锅炉控制系统46，计算装置42通过DCS链路48与该分配控制系统相连。在图4中还示出了厂用电力网50、其中一般具有一个或多个操作员控制台52a，52b的操作员室52、以及锅炉控制系统46和厂用电力网50之间的接口54。
应当理解，本发明的上述一个或多个示例性实施方式的描述仅是说明性的而不具有穷举性。本领域技术人员将能够在不偏离所附权利要求书限定的本发明精神和范围的情况下对所公开主题的一个或多个实施方式做出某些添加、删除和/或修改。

Claims (8)

1.一种用于控制发电设施的系统，该发电设施包括燃烧室和后燃烧吸附剂添加装置，该燃烧室排放废气，该系统包括：
处理器；
用于存储信号的一个或多个存储单元；以及
软件程序指令，存储在所述一个或多个存储单元中且在被该处理器执行时引起该系统执行以下方法，该方法包括：
接收指示废气中的灰烬中残留碳量的测量值；
接收指示废气中的汞量的测量值；
接收指示燃烧室效率的测量值；
给锅炉效率分配经济有效值；
给吸附剂分配经济有效值；
给灰烬中残留碳分配经济有效值；
设置废气中的预定目标汞水平；
基于分配给锅炉效率的经济有效值、吸附剂的经济有效值以及灰烬中残留碳的经济有效值的平衡，确定待添加到废气中的吸附剂的目标量以及待在燃烧室中形成的灰烬中残留碳的目标量，其中该吸附剂和灰烬中残留碳的目标量和吸附剂与灰烬中残留碳的最经济有效比相关；以及
根据该目标吸附剂和灰烬中残留碳，操纵对该燃烧室和后燃烧吸附剂添加装置的控制。
2.根据权利要求1所述的系统，其中该方法还包括给作为该燃烧室中的副产品产生的飞灰分配经济有效值。
3.根据权利要求2所述的系统，其中该方法还包括确定全局优化点，其中，对该燃烧室和后燃烧吸附剂添加装置的控制被操纵以减小发电的总成本且最大化来自飞灰的收益。
4.根据权利要求1所述的系统，其中给灰烬中残留碳分配经济有效值的方法步骤还包括确定降低的锅炉效率和增加的灰烬中残留碳之间的关联。
5.一种控制发电设施的方法，该发电设施包括燃烧室和后燃烧吸附剂添加装置，该燃烧室排放废气，该方法包括：
接收指示废气中的灰烬中残留碳量的测量值；
接收指示废气中的汞量的测量值；
接收指示燃烧室效率的测量值；
给锅炉效率分配经济有效值；
给吸附剂分配经济有效值；
给灰烬中残留碳分配经济有效值；
设置废气中的预定目标汞水平；
基于分配给锅炉效率的经济有效值、吸附剂的经济有效值以及灰烬中残留碳的经济有效值的平衡，确定待添加到废气中的吸附剂的目标量以及待在燃烧室中形成的灰烬中残留碳的目标量，其中该吸附剂和灰烬中残留碳的目标量和吸附剂与灰烬中残留碳的最经济有效比相关；以及
根据目标吸附剂和灰烬中残留碳，操纵对该燃烧室和后燃烧吸附剂添加装置的控制。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括给作为该燃烧室中的副产品产生的飞灰分配经济有效值。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括确定全局优化点，其中，对该燃烧室和后燃烧吸附剂添加装置的控制被操纵以减小发电的总成本且最大化来自飞灰的收益。
8.根据权利要求5所述的方法，其中给灰烬中残留碳分配经济有效值的方法步骤还包括确定降低的锅炉效率和增加的灰烬中残留碳之间的关联。
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