CN102188908A - 旋转炉底部灰分再生体系 - Google Patents

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Abstract

旋转炉底部灰分再生(RBAR)体系(100)包括从炉中接收含有反应物颗粒(10)的灰分(17)的圆柱体(110)，所述反应物颗粒(10)为具有未反应核(13)的部分反应的石灰石化合物。传感器(140)感测圆柱体(110)内的物理参数。控制器(170)接收传感器(140)的输出和指示未反应核(13)的量的信息并使流体致动器(135)从多个喷雾嘴(131)喷射适当量的再生流体调节器(135)到在圆柱体(110)内的不同位置以调节温度并使反应物颗粒(10)具有需要含量的再生流体。这使得反应物颗粒(10)被再生和再使用，并使石灰石费用降低和灰分处理体系的过热程度降低。

Description

旋转炉底部灰分再生体系
相关申请的交叉引用
本发明要求2010年2月11日提交的标题为“ROTARY BOTTOMASH REGENERATION SYSTEM(旋转炉底部灰分再生体系)”的同时待审的美国临时专利申请序列号61/303,491的权益，该申请以引用的方式全文结合到本文中。
技术领域
本发明涉及炉灰分中吸着剂的再活化，更具体地讲，用于冷却、水合和再活化炉底部灰分中未利用的硫治理吸着剂。
背景技术
在燃烧诸如煤炭的含有硫化合物的燃料期间，产生SO2、SO3(统称为“SOx”)气体。除了是温室气体之外，这些气体在释放时与水化合产生硫酸(H2SO4)，硫酸对许多生态体系具有危险性。
通常使用粉碎的石灰石来中和并消除SOx气体。在循环流化床(CFB)炉(其可为锅炉体系的一部分)中，将粉碎的石灰石加到粉碎的燃料中以在燃烧期间中和SOx气体。燃烧产生石灰石产物，该产物由大量的氧化钙(CaO，未反应的石灰)和硫酸钙(CaSO4)和少量的碳酸钙(CaCO3)组成。
大量的石灰石不与SOx气体反应，因此通常使用约两倍化学计量量的石灰石来实现令人满意的SOx气体捕获。过量未反应的石灰石与从固体燃料燃烧中产生的灰分一起除去。有两种来自CFB的净排放灰分流，即底部灰分和飞灰。灰分通常含有由未利用的CaO组成的石灰石产物。通常将底部灰分、石灰石副产物和未反应的石灰冷却并作为废料丢弃。
一种这类用于冷却底部灰分的装置为旋转灰分冷却器(RAC)。RAC为一端具有入口且相对端具有出口的旋转圆柱形管路。其具有穿过管路壁的冷却管道。在入口处接收热的底部灰分，随着管路旋转通过内螺旋翅片将热底部灰分移动到出口。等到底部灰分在出口处时，其已被冷却到适当温度。随后将底部灰分与其它废物一起处置。
常规RAC装置几乎没有或没有传感或调节装置。它们经设计而设置，且在发生不可接受的升温时没有灰分的精密温度控制措施。升温可出于许多原因而发生，例如炉操作方面的异常改变、异常工艺条件、变化的燃料供给或其它控制器故障。
过热的底部灰分温度可能破坏灰分处理体系且可能损害该体系。过热的温度还可引起难以用环境可接受的方式运输和处置灰分。
并且，大量未使用的石灰石被废弃，增加了操作成本且产生了需要处置的其它废料。
因此，需要更准确地监测底部灰分和通过重新使用底部灰分中未反应的CaO来增加石灰石利用率的方法和装置。
发明内容
本发明可涵盖用于处理循环流化床炉或功能类似的装置/设备中的底部灰分17的旋转炉底部灰分再生(RBAR)体系100。
其包括旋转圆柱体110，其经调适以在其入口端接收所述灰分；至少一个传感器140，其布置在圆柱体110内，其经调适以测量诸如温度和湿度的物理参数且产生至少一种代表所测量物理参数的输出信号；至少一个喷雾嘴131，其经调适以接收诸如水的再生流体或碱性(碱)水溶液并将其喷射到圆柱体110的不同区域。再生流体调节器135将再生流体提供给喷雾嘴131以在起动时将预定量的再生流体喷射到圆柱体110的所选区域中。
所连接的控制单元170从传感器读取信息并接收关于反应物颗粒10内的未反应核13的质量的输入。控制单元170计算将在各位置处喷射的再生流体的适当量以使反应物颗粒10吸附足以处于“需要含量”范围内的再生流体。随后开动流体调节器135以从喷嘴131中的每一个中喷射所计算的量。需要含量范围为使全部未反应核13完全反应所需再生流体的约5-25％。
本发明还可涵盖处理来自循环流化床炉的底部灰分17的方法。将底部灰分17置于旋转圆柱体110中。
感测沿圆柱体110内部的温度。
将不同量的再生流体喷射到处于圆柱体110内的不同位置的灰分17上以产生所要温度梯度，随后将计算量的水喷射到灰分内的未反应石灰石产物颗粒10上，以使颗粒10再活化，但在灰分17中未产生过量水以便保持灰分处于湿含量的“干燥”范围，其通常为0-5％重量。
本发明还可涵盖处理来自循环流化床炉的灰分17的方法，做法是：将所述底部灰分17置于旋转圆柱体110中；将水喷射到圆柱体110的第一区域中以冷却灰分17；将水喷射到圆柱体110的第二区域中以使所述灰分17中存在的CaO颗粒10水合并再活化。举例来说，来自典型石油焦炭燃烧CFB的底部灰分中的CaO将从23％重量减少到至少13％重量。这相当于石灰石消耗降低至少25％。
附图说明
被视为本发明的主题在本申请文件结尾处的权利要求书中特别指出并明确要求保护。结合附图自以下详述显而易见本发明的上述和其它特征和优势，其中：
图1为CFB炉的底部灰分中典型的部分反应的反应物颗粒10的横截面图；
图2表示正在水合的图1的反应物颗粒10；
图3表示已经水合后的图2的反应物颗粒10；
图4表示再次用于中和SO2气体的图3的反应物颗粒10；且
图5为根据本发明的旋转炉底部灰分再生(RBAR)体系的示意图。
具体实施方式
理论
图1为已与SO2和/或SO3化合物(统称为“SOx”)部分反应的典型石灰石(CaCO3)颗粒的横截面图。这些被称为反应物颗粒10。这些通常落入CFB炉的底部灰分中。在燃烧期间，反应物颗粒10的外部暴露表面上的CaO与烟道气中的SOx反应以形成覆盖反应物颗粒10的CaSO4壳11。
CaO+SO2+1/2O2＝CaSO4+热(方程式1)
由于SOx气体不能穿过反应物颗粒10到达其核13，核13由未反应的CaO构成。CaSO4壳11围住核13。
此时，反应物颗粒10变得没有反应性。核13仍为可用材料，只是SOx气体不能抵达。该未使用的核13(通常可为反应物颗粒10的50％重量)通常作为废物丢弃。因此，如果最大限度地利用这些颗粒，则可显著降低石灰石成本。
CaO的反应性相当强。其与水发生放热反应。
众所周知：
CaO+H2O→Ca(OH)2+热(方程式2)
方程式2的该放热反应足以使另外存在的水立刻变成蒸汽。这使得核13内的压力大大增加。如果有足够的CaO反应，则压力可增加到足以使外壳11破裂。迅速膨胀的蒸汽是引起爆米花爆裂的机理。已经确定，如果满足适当条件，颗粒10将像爆米花一样爆裂以暴露核13。离开颗粒的蒸汽还可以将颗粒弱化到RBAR和CFB中的处理和磨损(即颗粒的机械破碎)可进一步暴露未利用的CaO的程度。
图2显示正水合的图1的反应物颗粒10。表示诸如水、碱性物质的水溶液和另外蒸汽的再生流体浸过壳11并进入核13中。
在图2中，CaO与水根据方程式2反应，产生大量热。如果存在适当量的水，则将过量水加热成蒸汽并使反应物颗粒10处于适当温度。
在图3中，蒸汽产生足以使外壳11破裂的压力，留下延伸到核13中的裂缝15。逸散的蒸汽由该图中的箭头指示。此时颗粒10被再生并能够再次使用。
在图4中，将图3的再生颗粒10引入具有SO2的烟道气中。SO2穿过裂缝15并与CaO反应。这根据以下方程式3捕获在CFB中燃烧期间释放的SO2。
CaO+SO2+1/2O2＝CaSO4+热(方程式3)。
如果使用适当量的再生流体且在适当温度下施用于颗粒10，则会发生壳11开口。
如果提供太多再生流体，固体最终会变湿变粘，引起不可接受的处理问题。另外，这可导致温度迅速降到足以妨碍产生足够内部蒸汽以引起爆裂的程度。
太少再生流体限制了可浸过壳11到达核13的再生流体的量。如果该量不够大，则反应可能太小而不足以产生打开壳11的内部蒸汽压。
如果温度下降太快，则颗粒10和内部蒸汽会冷却太多且会降低壳11内的蒸汽压，阻止壳11开口。
如果颗粒10太热，则将蒸发太多再生流体，使得将浸过核13的再生流体的量减少，因此因缺乏再生流体而使爆裂降低。
因此，需要精确控制器和温度、湿度和流体流量传感器和控制器来实现颗粒10的适当处理，从而允许到达未使用的内核13。
旋转炉底部灰分再生(RBAR)体系充当底部灰分冷却体系，类似于RAC。然而，本发明包括传感器、控制器和致动器(actuator)从而以更准确的方式作用。其考虑了由于炉操作方面的异常改变、异常工艺条件、变化的燃料供给或其它控制器故障引起的温度波动。
本发明还用以使颗粒10再循环以改善CFB中石灰石的利用率。
这通过使用喷雾嘴来可调节地冷却在旋转灰分冷却器121的第一部分中的底部灰分(如果需要的话)，随后使用喷雾嘴来使已经冷却到适当温度后的底部灰分中的碱性颗粒10水合来进行。用这种方法，可以调节RBAR体系的冷却能力，同时能够使底部灰分水合/再活化和再循环。
引起反应物颗粒10的壳11开口所需再生流体的量(“需要含量”)在使颗粒10的核13中的所有CaO完全反应所需再生流体的化学计量量的5-20％范围内。由于工厂控制体系监测离开炉的SOx气体，因此对中和SOx气体所需碱性反应物的质量有准确指示。然而，不是所有的反应物都反应。实际上，约50％的反应物没有反应。因此，提供到烟道气的反应物的质量是所需量的两倍。另外50％保留在灰分中的颗粒10的核13中。因此，RBAR体系从工厂控制体系接收信息，该信息指示提供以中和SOx气体的石灰石的量。
由于蒸发，所以喷射到灰分中的再生流体的量不是由灰分接收的再生流体的量。水根据给定位置处所经历的温度和湿度和喷雾嘴131的参数以多种速率蒸发。因为沿旋转灰分冷却器的长度存在降温梯度，所以在沿RBAR的不同位置存在不同蒸发速率。温度梯度和蒸发速率可以用实验方法针对沿旋转灰分冷却器的多个位置计算。当计算从沿旋转灰分冷却器的长度的各位置喷射的水量时，考虑该蒸发损失。目标是喷射足够水以使颗粒10接收5-20％的化学计量量的水。接收比该范围少或多的水在打开壳11和使反应物颗粒10再生方面效率低下。
图5为根据本发明的RBAR体系100的示意图。将来自循环流化床(CFB)炉的热底部灰分17提供到在RBAR 100的圆柱体110的输入端151处的入口121中。圆柱体110还具有在输出端153处与入口121相对开口的出口123。圆柱体110安装在轴117上且围绕轴117旋转。其由发动机119驱动。或者，圆柱体可搁置在辊125上替代连接到轴117。
圆柱体110具有具备多个类似于螺纹的螺旋细长翅片114的内壁113。随着圆柱体110旋转，螺旋翅片114使灰分17向出口123移动并使其离开出口123。
还有多个与内壁接触的冷却管111。这些冷却管冷却内壁113和圆柱体110的内含物。圆柱体110还可具有围住冷却管111且如果使用辊125的话用于制成光滑表面的外壁115。
冷却管111流体连接到圆柱体的轴117附近的冷却剂入口127，且流体连接到也在轴117附近但在圆柱体110的另一端的冷却剂出口129。这允许冷却剂引入冷却剂入口127并经多个冷却管111分配来冷却内壁113，且离开冷却剂出口129。
在内壁113上或其附近存在多个传感器140。这些传感器可为温度传感器、湿度传感器、灰分湿度传感器或重量传感器或可测量物理条件的其它传感器。传感器140还可测量已在RBAR中积聚的底部灰分17的量。可将来自传感器140的读数提供到控制单元170中。控制单元170读取这些读数并根据读数确定动作。
多个喷枪130延伸到圆柱体110中。各喷枪具有喷雾嘴131，喷雾嘴131在提供有水时在圆柱体110内的特定区域中喷射水。
喷枪130经喷雾致动器135连接到再生流体源133。喷雾致动器135连接到控制单元170。在该实施方案中，喷枪130中的每一个具有不同长度。各喷枪在沿其长度的不同位置处具有喷雾嘴131。控制单元170可选择性地喷射不同量的水到圆柱体110内的不同区域中。
在该实施方案中，至少数个喷枪130在圆柱体入口121附近具有喷雾嘴131。因此，至少数个喷枪将喷射水到在圆柱体110内的相同区域中。当底部灰分在圆柱体入口121处进入时其是最热的，当其向圆柱体出口123行进经过圆柱体110的长度时其被冷却。通常在圆柱体入口121处还有较大量的灰分17，其在圆柱体出口129处逐渐减少到较小量。因此，在圆柱体入口121附近可能需要较大量的喷雾。冷却需要的水量大于使石灰石产物再活化需要的水量。
或者，将多个喷嘴131置于圆柱体110内的多个位置处，且各喷嘴可通过控制单元170分别控制。
控制单元170接收关于提供给体系的SOx反应物的量的信息。控制单元170接收关于在旋转灰分冷却器的灰分中的未反应核13的量的信息。控制单元170随后考虑温度梯度和在各喷嘴处的蒸发速率而计算将从各喷嘴喷射的水量，这将产生颗粒10的再生流体的需要含量范围。需要含量范围为使喷嘴位置处的所有未使用的SOx反应物反应的化学计量量的5-20％。
在一个供选的实施方案，控制单元170可确定沿旋转灰分冷却器的质量分布并根据底部灰分17的质量分布调整喷射量。
控制单元170还监测传感器140且控制再生流体调节器135以调节通过圆柱体110的各部分的喷雾，从而调节跨圆柱体110的温度梯度。该调节将限于使颗粒10再生所需的浓度范围。通常输入端151大于700°F(370℃)。在一个实施方案中，所要温度梯度为从入口121处的通常1600°F(871℃)至圆柱体出口123处的120-300°F(60-150℃)的转变。在RBAR内的某些点处，达到小于700°F(370℃)的温度，水合将开始且剧烈地进行。所提供的再生流体的量通常在用于使底部灰分中存在的所有CaO水合的化学计量量的1-25％范围内。举例来说，完全水合CaO所需水的化学计量量为40.9Kg H2O/100Kg CaO。因此，在RBAR的水合段中通常加入的水量(考虑在喷射位置处蒸发的量)在2.0-10.2Kg H2O/100Kg CaO范围内。控制单元还将通过测量灰分速率和温度来确定且当温度低于约700°F(370℃)时提供5-25％的化学计量需要量的水合水。在一个供选的实施方案中，如果需要的话，控制体系170将在限度内定制或调节冷却喷射水量以在圆柱体110内提供所要温度曲线。
水合之后，灰分17中的颗粒10从圆柱体出口123离开且可将其收集并再使用以降低操作CFB炉所需的石灰石总量。
选择RAC用于本发明100的另一原因在于圆柱体110通过物理接触和翻转粉碎灰分17中水合、软化的颗粒10。圆柱体110旋转且借助于螺旋翅片114将灰分17随内壁113提升。当灰分在内壁113上提升太高时，其向下翻转回到圆柱体110的底部。该类似于干衣机的物理翻转引起颗粒10相对于灰分17、内壁和其他颗粒10的摩擦、刮磨和撞击的物理接触。物理接触将在已预先水合并软化的颗粒10的壳13中产生破坏、裂痕和裂缝。物理接触还破碎较软的水合颗粒和/或磨损外壳13，潜在地暴露出核11。
虽然已经参考示例性实施方案描述了本发明，但本领域技术人员应理解，可在不偏离本发明范围的情况下进行多种改变且可用等价物替代其要素。另外，本领域技术人员应理解，可在不脱离本发明的基本范围的情况下进行许多修改以使特定设备、情形或材料适应本发明的教导。因此，并非想要将本发明限制于作为针对实施本发明所考虑的最佳模式而公开的特定实施方案，而是本发明将包括落入随附权利要求书范围内的所有实施方案。

Claims (15)

1.一种处理具有反应物颗粒的来自循环流化床炉的底部灰分的方法，各反应物颗粒具有部分反应的外壳和未反应的内核，其包括以下步骤：
a.将所述底部灰分提供到具有多个用于沿圆柱体的长度喷射再生流体的喷嘴的旋转圆柱体；
b.感测所述圆柱体内部的物理条件；
c.接收所述旋转圆柱体内未反应核的质量的指示；
d.从所感测的物理条件和未反应核的质量计算将喷射的再生流体的量以使所述反应物颗粒具有在“需要含量”范围内的再生流体浓度；
e.从所述圆柱体内的多个喷嘴喷射所述计算量的再生流体到所述底部灰分上，以使所述反应物颗粒的壳开口，暴露出所述未反应的内核，因此使其再活化。
2.权利要求1的方法，其中所述感测温度的步骤包括以下步骤：
在沿所述圆柱体内部的各喷嘴处感测物理条件；且所述计算步骤包括以下步骤：
从所感测的物理条件和未反应核的质量计算将从各喷嘴喷射的再生流体的量以使所述反应物颗粒具有在需要含量范围内的再生流体浓度；且所述喷射步骤包括以下步骤：
从所述圆柱体内的多个喷嘴中的每一个中喷射针对相应喷嘴计算的一定量的再生流体到所述底部灰分上以使所述反应物颗粒具有在所述需要含量范围内的再生流体浓度，引起所述反应物颗粒的壳开口，暴露出所述未反应的内核，使其再活化。
3.权利要求1的方法，其中所述需要含量范围为使所有所述未反应核完全反应所需再生流体的化学计量量的5-25％。
4.权利要求1的方法，其中所述再生流体为水。
5.权利要求1的方法，其中所述再生流体为蒸汽和碱的水溶液。
6.权利要求1的方法，其中所述再生流体为浓度小于1.0N的NaOH水溶液。
7.权利要求5的方法，其中所述再生流体还包含蒸汽。
8.权利要求1的方法，其中所述喷射计算量的再生流体的步骤在所述圆柱体内与小于700°F(361℃)的温度有关的位置处开始，所述温度为可进行有效水合的温度。
9.权利要求1的方法，其中所述圆柱体具有具备螺旋翅片的内壁，所述翅片突出到所述圆柱体内以便于物理破碎和粉碎反应物颗粒并使底部灰分移动远离入口和从出口移出。
10.一种处理来自循环流化床炉的具有反应物颗粒的底部灰分的方法，其包括以下步骤：
将所述底部灰分提供到旋转圆柱体中；
将再生流体喷射到所述圆柱体的第一区域中以冷却所述灰分；
将一定量的再生流体喷射到在所述圆柱体的第二区域中的所述底部灰分上以将需要含量的再生流体提供给所述反应物颗粒，所述需要含量在使SOx反应物颗粒内的所有未反应物质完全反应所需再生流体的化学计量量的5-25％范围内。
11.一种用于处理循环流化床炉的具有部分反应的反应物颗粒的底部灰分的旋转炉底部灰分再生(RBAR)体系，其包括：
圆柱体，其经调适以在入口端接收所述底部灰分并旋转；
至少一个布置在所述圆柱体内的传感器，其经调适以测量物理条件且产生至少一种代表所测量物理条件的输出信号；
至少一个喷雾嘴，其经调适以接收再生流体且将所述再生流体喷射到在所述圆柱体中的所述底部灰分上；
连接到所述至少一个喷雾嘴的流体致动器，其经调适以在起动时在所述圆柱体中喷射规定量的再生流体；
连接到所述传感器和所述流体致动器的控制单元，其经调适以：
接收传感器输出信号，
计算将提供到所述圆柱体的再生流体的量，和
起动所述流体致动器以提供计算量的再生流体到在所述圆柱体中的底部灰分上，因此使所述反应物颗粒再生。
12.权利要求11的旋转炉底部灰分再生体系，其还包括：
配置在所述圆柱体的内表面上的多个螺旋翅片，使得所述底部灰分随着所述圆柱体旋转而向出口行进。
13.权利要求11的旋转炉底部灰分再生体系，其中所述喷嘴连接到多个喷枪且控制单元经调适以操作流体调节器以向不同喷枪提供变化量的再生流体。
14.权利要求13的旋转炉底部灰分再生体系，其中所述喷枪具有通向所述圆柱体内的不同位置的多个内部通路，且
所述控制单元经调适以操作流体致动器以向在所述喷枪内的不同通路中的每一个提供变化量的再生流体以在圆柱体内部的不同区域上喷射再生流体。
15.权利要求14的旋转炉底部灰分再生体系，其中所述控制单元交互地控制所述流体致动器以提供使所述底部灰分中的反应物颗粒水合所需再生流体的化学计量量的5-25％。
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