CN102089413B - 用于对高铁和/或钙含量的煤的燃烧进行炉渣控制的目标试剂注入 - Google Patents

用于对高铁和/或钙含量的煤的燃烧进行炉渣控制的目标试剂注入 Download PDF

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Abstract

公开了通过降低在换热表面上形成炉渣的趋势和改变炉渣的性质以使其容易除去来提高使用具有高铁和/或钙含量的煤燃烧的燃烧器输出的方法。所述方法包括利用总体过量的氧气燃烧具有高铁和/或钙含量的形成炉渣的煤；将所得燃烧气体在使由燃料燃烧形成的炉渣冷却的条件下移动通过换热设备；和在与所述换热设备接触之前引入具有有效地降低结垢速率、优选提高所得炉渣脆性的量和液滴尺寸和浓度的水性三氢氧化铝。理想地，以水性液体的形式引入所述三氢氧化铝试剂，并采用计算流体力学以确定流速和选择试剂引入速率、试剂引入位置、试剂浓度、试剂液滴尺寸和/或试剂动量。在优选的方面，进料速率为最高达每吨煤约6磅ATH和优选最高达每吨煤约2磅Mg(OH)2。还提供用于清洁和保持燃烧器清洁度的方法。

Description

用于对高铁和/或钙含量的煤的燃烧进行炉渣控制的目标试剂注入
优先权要求
本申请要求2008年7月11日提交的美国临时专利申请No.61/080,004的优先权，其公开内容全部引入本文作为参考。
背景技术
本发明涉及通过降低在换热器表面上形成炉渣的趋势和改变炉渣的性质以使其更容易除去和实际上除去炉渣来提高使用具有高铁和/或钙含量的煤燃烧的燃烧器输出的方法。
煤的燃烧，与其它化石燃料类似，常常不如期望的那样有效并且可以是污染源。维持燃烧器高效率的运行和控制排放的质量对维持驱动我们的经济所需的能量并同时保护我们生存所需的空气质量来说是必须的。由于效率和排放是相关的，并且一些技术方案是使它们彼此竞争的，因此难以即实现效率又实现排放。发电厂和焚烧炉的经济性运行是公众的利益，对此，新技术是必需的。
燃料选择在缓解某些污染问题中发挥重要的作用，但是并不能消除它们。一些煤，例如某些阿巴拉契亚和伊利诺伊盆地烟煤在许多设计成用煤的工厂(其中经济制约了其它选择)中是重要的。对于这种高铁含量煤而言，形成炉渣的趋势和炉渣的性质已经长期成为燃烧工程师和工厂经营者的主要关注。有许多影响炉渣的物理性质和化学性质的因素。参见，例如编者JosephG.Singer，P.E的Combustion Fossil Power 1991第三章，，CombustionEngineering。然而，现在工业仍在承受选择低成本煤和生产能量(其中成渣成为问题)的实际经济性之间的妥协。炉渣积累是导致热传递降低的问题和经常导致长时间用于清洁的停工期。
与煤相关的问题是必须捕获和处置形成的大量灰分和细粒。现有技术已使用添加剂来控制炉渣形成和性质，但是添加剂可在绝对量(sheer volume)方面增加所采用的固体回收系统的负担。因此，由于固体回收系统不能有效地除去所有需要除去的固体，最佳的炉渣控制经常被妥协。这对于较老的工厂来说特别是个问题，在较老的工厂中提高固体收集量并不是一种选择。
使问题更复杂的是，由于添加剂的组成不同，煤与添加剂的反应也不同。作为一般规则，没有已知配方可以用合适的添加剂以固体回收装置能够充分处理的有效程度来解决所有不同煤组成。正积极探寻发现着个别煤组成和添加剂方式(regimen)，以确保可以提供经济性动力同时产生足够的收益以有效控制污染。
需要改进的方法以更有效地控制成渣，特别是与有问题的燃料相关的成渣以改进锅炉效率和经济性，所述有问题的燃料例如具有硫成分的煤，硫成分导致它们在成渣中发挥增强的作用，以及具有高铁和/或钙含量的那些。
发明内容
本发明的目的是提供改进的技术以在利用容易产生炉渣的燃料的燃烧器中控制炉渣。
本发明的另一目的是提供控制来自利用高铁和/或钙含量的煤燃烧的炉渣同时减少化学品使用的方法。
本发明的另一目的是提供从锅炉换热表面除去由于利用高铁和/或钙含量的煤燃烧产生的炉渣同时减少化学品使用的方法。
进一步的但更具体的目的是提供通过减少与炉渣除去相关的停工期而更有效地控制炉渣的方法。
本发明一些方面的更具体目的是实现以上目的同时改进燃烧器效率。
这些和其它目的通过本发明至少在其优选方面中实现，本发明提供了在燃烧具有高铁和/或钙含量的形成炉渣的煤的燃烧器中进行炉渣控制的改进方法。
在一方面中，本发明提供用于减小燃烧器中炉渣的聚结性(cohesiveness)和/或粘附性(adhesiveness)从而降低结垢速率的方法，包括：用总体过量的氧气燃烧具有高铁和/或钙含量的形成炉渣的煤；使所得燃烧气体在使由所述煤燃烧形成的炉渣冷却的条件下移动通过换热设备；和在与所述换热设备接触之前引入具有有效地降低结垢速率、优选提高所得炉渣脆性的量和液滴尺寸和浓度的水性三氢氧化铝。
在一优选的方面中，以水性液体的形式引入所述三氢氧化铝试剂和采用计算流体力学以确定流速和选择试剂引入速率、试剂引入位置、试剂浓度、试剂液滴尺寸和/或试剂动量。
在另一优选的方面中，将氢氧化镁作为水性浆料与三氢氧化铝浆料一起引入。
在另一方面中，本发明提供通过引入具有对于得自干燥所述浆料的细粒来说有效进行接触的量和液滴尺寸和浓度的水性三氢氧化铝以与已有的炉渣沉积物接触来清洁具有炉渣积累的炉表面的方法。
在另一方面中，本发明提供清洁和维护燃烧器的方法，包括以下方式：将每吨煤约3～6磅ATH和每吨煤约1～2磅Mg(OH)2初始进料足以减少炉渣的时间，随后将进料减少到初始值的约10％～约50％以保持所述燃烧器的清洁和有效运行。
在以下说明书中展示其它优选的方面和它们的优点。
附图说明
当与附图结合阅读以下具体说明时，将更好地理解本发明，并且其优点将变得更清楚，在所述附图中：
图1是本发明一种实施方式的示意图。
图2是以下实施例2给出的三氢氧化铝进入以高铁含量煤运行的燃烧器中运行24小时之后得到的炉渣样品的照片。
具体实施方式
首先参考为本发明一种实施方式的示意图的图1。图1显示用于产生发电用蒸汽、生产用蒸汽、加热或焚烧的大型燃烧器10。煤通过燃烧室20和20a进料，并与空气在燃烧区21中燃烧。本发明的优点是煤的铁含量高(例如，铁含量大于约15％，例如约20％～35％，基于灰分的重量，并以Fe2O3表示)和/或钙含量高(例如，钙含量大于5％，例如约10％～25％，基于灰分的重量，并以CaO表示)。本发明的优点还在于，即使煤具有显著的硫含量，例如高于约1％和在约3％～约5％，也能够有效地控制炉渣。这里，在整个本说明书中，所有份和百分比是以重量计的。
由风扇22和风管24供应的燃烧用空气优选通过气体-气体换热器(未示出)预热，该换热器从在燃烧器的出口末端的风管(未示出)传热。热燃烧气体上升和流过换热器26，该换热器26将热从燃烧气体传递到水以产生蒸汽。根据特定的锅炉设计也可提供其它换热器，包括节热器(下游，未示出)。未经处理的炉渣容易在这些换热器表面上形成，所述换热器表面基于对个别位置而言重要的设计考虑位于特定燃烧器内。本发明的优点在于，采用建模技术如计算流体力学以将处理用化学品(特别地，根据本发明确认为对特定类型煤来说有效的那些)初始引导到最佳位置以减少和/或控制炉渣积累和保持锅炉的有效运行。
各个喷嘴排(nozzle bank)30和30a中提供一系列合适的喷嘴，优选空气辅助雾化喷嘴，以单独引入三氢氧化铝，或者分别从容器40和40a将三氢氧化铝和氢氧化镁一起引入。ATH和氢氧化镁优选是水性的，根据需要作为浆料和/或溶液。在图中用双线表示供应线路(例如，41)。用通用符号
Figure BDA0000043369620000041
表示阀门(例如，42)和用通用符号
Figure BDA0000043369620000042
表示温度传感器(例如，44)。将阀门42和温度传感器44通过以虚线表示的电导线(例如，48)连接到控制器46。这些阀门、温度传感器和导线只是说明性的，本领域技术人员利用本文给出的原理将策略性地放置它们以提供合适的控制信号和响应。控制器46可以是根据具有前馈和反馈特征的预定控制方式编程的通用数字计算机。
根据本发明已发现三氢氧化铝(Al(OH)3)有效地明显减少由不利煤类型造成的炉渣沉积或对沉积炉渣的清洁，其也作为其它名称如ATH、氢氧化铝和水合氧化铝已知。不论是何种形式的三氢氧化铝原材料，优选将其与水混合(与或不与化学稳定剂混合)，达到适合储存和处理的浓度，例如至少约25％和优选至少约65％的固体重量，以从罐40通过相关线路41引入。
如下所述，通过建模首先确定浓度和流速以确保将合适量的化学品以正确的物理形式供应到燃烧器中的正确位置以实现减少成渣和容易清理的理想结果。为了在所述方法中使用，例如通过计算流体力学(CFD)所确定的将其稀释至约0.1％～约10％，更窄的约1％～约5％的范围。当水性三氢氧化铝与燃烧器中的热气体接触时，据信其减小为非常小的颗粒，例如纳米尺寸的颗粒，例如在200纳米下，优选低于约100纳米。50～约150纳米的中等颗粒尺寸是本发明方法的有利范围。为了达到这样的尺寸，重要的是将ATH与水一起引入。据信小颗粒会破坏形成炉渣的一般晶体或玻璃。不论涉及的机理是什么，本发明的独特优点在于，形成的炉渣是高度易碎的，利用刷洗就容易地破坏，并且可以用手粉碎。
本发明的显著优点是，提高形成的炉渣的脆性，从而使其更容易除去。本发明还减缓或消除了炉渣的积累。有利地，在高剂量下，本发明实际上可除去已经形成的炉渣。短语“提高炉渣的脆性”是指，与在相同条件下形成但没有进行处理的炉渣相比，处理后的炉渣需要较小的单位面积的力来粉碎。短语“除去炉渣”是指通过本发明的处理从初始值减少了附着到锅炉、特别是换热器表面的炉渣的重量。本发明有若干附加和随之带来的优点，包括减少高硫煤的SO3、减少通过换热装置上的压降、使用较低成本煤的能力、因提高燃料消耗而生成较少的CO和较少的CO2、更好的传热、较少的停工期、较高的生产量、在线清洁、更清洁的换热表面、清洁整个燃烧器的能力和以更高的效率运行所有负载的能力。
所述方法对于大多数煤来说使用ATH和氢氧化镁的组合很好地适用。虽然某些煤例如具有低硅酸盐组成的煤可以在减少由于炉渣引起的问题的情况下燃烧，但优选至少在初始使用氢氧化镁。氢氧化镁试剂可优选由含有钙和其它盐的盐水制备，通常由地下盐水池或海水制备。将白云石灰与这些盐水混合以形成氯化钙溶液和氢氧化镁，将氢氧化镁从溶液中沉淀滤出。这种形式的氢氧化镁可以在有或没有稳定剂的情况下与水混合，达到适合储存和处理的浓度，例如25％～65％的固体重量。为了在所述方法中使用，按照通过计算流体力学(CFD)确定的将其稀释到0.1％～10％，更窄地1％～5％的范围内。当其与燃烧器中的流出物接触时，据信其减小为纳米尺寸的颗粒，例如在200纳米下，优选低于约100纳米。50～约150纳米的中等颗粒尺寸是本发明方法的有利范围。需要或者希望时也可采用其它形式的MgO，例如，“轻度燃烧的”或“苛性的”MgO，当它们可以所需颗粒尺寸范围获得时。
为了最佳地实现这些效果，本发明将优选使用CFD来设计初始流速和选择初始试剂引入速率、试剂引入位置、试剂浓度、试剂液滴尺寸和/或试剂动量。CFD是公知的科学，在这种希望提供最小量的化学品来达到最大效果的情况下，完全有益地利用了CFD。
非常明显地注意到，从影响通常被认为是炉渣控制的控制因素的炉渣的熔点来看，化学品的量是亚化学计量的。根据本发明，除了采用相对少量的试剂之外，有充分的证据表明本发明的结果是由于文献不能解释的可能的边界化学和动力效应对炉渣形成的物理破坏所引起的。
测试表明，可以利用由CFD确定的初始进料速率得的良好的效果，然后基于观察到的结果进行调节。作为对进料速率的指导，用于与以下示例燃烧器类似运行的燃烧器的最经济初始进料速率可最高达每吨煤约6磅ATH(作为干燥活性ATH)或每吨煤8磅(作为65～70％的浆料)。例如，当作为优选的70％浆料添加时，约1磅～约6磅浆料的量是有效的(更窄地，例如约2磅～约3磅浆料)。还优选使用最高达每吨煤约2磅Mg(OH)2浆料(约50％～60％固体)。例如，当作为优选的60％浆料添加时，可利用每吨煤约0.5磅～约2磅Mg(OH)2浆料，例如每吨煤约0.7磅～约1磅Mg(OH)2浆料。根据需要对浆料进行稀释，通常稀释为约5％(用于较小的应用)到约35％或更多的固体浓度。
通过本发明的处理，有效地从初始值减少了附着到燃烧器、特别是换热表面的炉渣重量，特别是当ATH和Mg(OH)2以上述范围内的高浓度如每吨煤约3磅～6磅ATH和每吨煤约1磅～2磅Mg(OH)2使用时。这种除去炉渣的能力提供了进行清洁和维护方式，其中初始进料如上所述地用于除去炉渣，然后将进料减小到初始值的约10％～约50％以保持燃烧器清洁和有效地运行。
对于根据本发明的最佳炉渣修正来说必需的是，为将引入到室20中的热燃烧气体中的有效物理形式的三氢氧化铝和任选的氢氧化镁(优选)计算和使用正确的初始浓度、比率(rates)和引入速率，，从而能够以所需的效果加入所述化学品。CFD在本发明中的实施可根据Smymiotis等人的美国专利No.7,162,960完成。在使流出物通过排出管之前，可采用微粒除去装置(未示出)除去微粒。
在本发明的另一可选形式中，可将燃烧催化剂和/或流出物处理化学品加入到燃料、燃烧区，或者例如Smymiotis等人的美国专利No.7,162,960所述的其它位置。
给出以下实施例以进一步解释和说明本发明，但是所述实施例不以任何方式进行限制性。除非另有说明，所有的份和百分比是以重量计的。
实施例1
本实施例说明将三氢氧化铝引入到每天燃烧540吨煤的炉子中。所述煤为伊利诺伊盆地和阿巴拉契亚烟煤的共混物，给出组合的下列分析结果：
Figure BDA0000043369620000071
对于试验，从两组位于与两排粉煤燃烧室相对的壁上的三个空气冷却喷嘴以每吨所消耗的煤5磅浆料的速率进料作为70重量％水性浆料的Al(OH)3(三氢氧化铝浆料或缩写为ATH)，所述两排三个空气冷却喷嘴的一排的高度在两个燃烧器之间，另一排的高度在最高的煤燃烧器以上。将所述浆料稀释为35重量％ATH的浓度。稀释前ATH浆料的密度为约14磅/加仑，意味着ATH浆料的进料速率为每天约193加仑(每吨煤约5磅)。
基于该试验，估计这种特定燃烧器的有效进料率为每吨煤约1磅～约6磅ATH浆料，例如每吨煤约2磅～约3磅。
实施例2
本实施例说明除了实施例1中进料的三氢氧化铝之外将Mg(OH)2(氢氧化镁)引入每天燃烧540吨煤的炉子中的效果。如实施例1中所示，所述煤为伊利诺伊盆地和阿巴拉契亚烟煤的共混物。
将氢氧化镁作为浆料以每吨所消耗的煤2磅50～60重量％的浆料进料。氢氧化镁浆料的密度为大约12磅/加仑。因此，Mg(OH)2浆料的进料速率为每天约90加仑。与之前一样，我们以每吨所消耗的煤5磅浆料的速率进料三氢氧化铝浆料。ATH的密度为约14磅/加仑，因而ATH的进料速率为每天约193加仑。
基于该试验，估计这种特定燃烧器的最经济进料速率为每吨煤约0.5磅～约2磅Mg(OH)2浆料(例如每吨煤约1磅)再加每吨煤约1磅～约6磅ATH浆料(例如每吨煤约2磅～3磅)。图2是只有ATH进料时运行24小时之后得到的炉渣样品的照片。所述炉渣出乎意料地是易碎的。
以上说明书是为了教导本领域技术人员如何实施本发明。不意图具体说明所有那些明显的改变和变型，这在技术人员阅读说明书后将变得清晰。然而，所有这样的明显改变和变型意图包括在本发明的由所附权利要求所限定的范围内。所述权利要求意图涵盖要求保护的组分和任意顺序的步骤以有效地满足希望的目的，除非上下文中明确相反地指出。

Claims (8)

1.用于减小燃烧器中炉渣的聚结性和/或粘附性从而降低结垢速率的方法，包括：
利用总体过量的氧气燃烧具有基于灰分的重量并以Fe2O3表示的大于15％的铁含量和/或基于灰分的重量并以CaO表示的大于5％的钙含量的形成炉渣的煤；
使所得燃烧气体在使由燃料燃烧形成的炉渣冷却的条件下移动通过换热设备；和
在与所述燃烧器中的所述换热设备接触之前，在燃烧器中的热燃烧气体中引入具有有效地形成在所述热燃烧气体中在200纳米下的纳米尺寸的颗粒和降低炉渣的结垢速率且提高所得炉渣的脆性的量和液滴尺寸和浓度的水性液体三氢氧化铝试剂。
2.权利要求1的方法，进一步包括通过计算流体力学而确定初始试剂引入速率、引入位置、浓度、液滴尺寸和动量的值。
3.权利要求1的方法，其中所述方法进一步包括引入具有有效地形成在200纳米下的纳米尺寸的颗粒且降低炉渣结垢速率的量和液滴尺寸和浓度的水性氢氧化镁。
4.权利要求1至3任一项的方法，其中所述方法包括引入最高达每吨煤6磅三氢氧化铝浆料和最高达每吨煤2磅的Mg(OH)2。
5.用于除去燃烧煤的燃烧器中炉渣沉积物的方法，包括：
将具有有效地除去炉渣沉积物的量和液滴尺寸和浓度的水性三氢氧化铝引入到燃烧器中的热燃烧气体中。
6.权利要求5的方法，其中所述方法进一步包括引入具有有效降低炉渣的结垢速率的量和液滴尺寸和浓度的氢氧化镁。
7.权利要求5或6的方法，其中所述方法包括引入最高达每吨煤6磅三氢氧化铝浆料和最高达每吨煤2磅的Mg(OH)2。
8.清洁和维护燃烧煤的锅炉的方法，所述煤具有基于灰分的重量并以Fe2O3表示的大于15％的铁含量和/或基于灰分的重量并以CaO表示的大于5％的钙含量，所述方法包括以下方式：将每吨煤3～6磅水性三氢氧化铝和每吨煤1～2磅水性氢氧化镁初始进料足以减少炉渣的时间，随后将所述进料减少到初始值的10％～50％重量以保持所述燃烧器的清洁和有效运行，其中所述水性三氢氧化铝和氢氧化镁以有效地形成在200纳米下的纳米尺寸的颗粒且降低炉渣的结垢速率的液滴尺寸和浓度引入。
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