CN102917785B - 降低灰中残碳含量的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及降低灰中的碳含量，其中将具有1~20重量%碳含量的灰引入反应器中并在700~1100℃的温度下在其中燃烧。在所述燃烧期间，将微波辐射供应至所述反应器中并至少部分回收在所述燃烧期间所释放的能量。

Description

降低灰中残碳含量的方法和装置
本发明涉及降低灰中、优选煤灰中残碳含量的方法和装置，其中将具有1~20重量%碳含量的灰引入反应器、尤其是流化床反应器中，并在700~1100℃、优选750~900℃的温度下进行燃烧。
将在燃烧期间产生的有机材料的残余物称作灰。灰颗粒的组成主要取决于易燃材料且具有从在金属化合物(主要是氧化物和碳酸(氢)盐如Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO、MnO、P2O5、K2O、SiO2、Na2CO3、NaHCO3)上残留的碳和矿物(石英)到有毒物质如重金属(例如砷和锌)和二噁英。灰中含有的残碳的大部分，至多20重量%的量集中在煤的核心中，其被金属氧化物化合物包围。这种灰不适合简单倾倒，而是必须宣称为有害废物，因为其吸湿且如果进行不适当倾倒，沥出的溶解性成分由此能够进入地下水中。这种形式的灰也不能用作水泥工业中的填料，因为残碳内容物劣化粘结性能。
在灰中、尤其是具有0.9~1.1kg/l堆密度的得自燃煤电站的飞灰中残碳含量的问题，仅仅作为在微波辐射下透过保护性封装碳核的金属氧化物的实验而知晓。例如EP 0 521 059 B1描述了一种确定飞灰中碳含量的方法。基于该目的，在测量室中收集灰试样，所述测量室充当微波共振空间，并将所述试样暴露在微波辐射下。通过测量试样和参比材料的吸收，能够确定试样材料的介电常数并由此最终用于评价残碳含量。
US 4,705,409同样描述了微波辐射的用途以及确定飞灰中的碳含量。基于该目的，将飞灰暴露在微波辐射下以测量吸收率。由此一部分微波辐射被碳吸收，剩余的辐射在吸收流体中被吸收。根据在存在和不存在灰试样下的测量中该吸收流体温度的变化，能够推断碳含量。由于吸收微波辐射，所以飞灰中的碳内容物能够发生部分还原，然而这需要比较高的辐射能。
例如从DE 102 60 745 A1可已知在具有流化床的反应器中对粒状固体进行热处理的方法，尤其是焙烧矿石，在所述流化床中将源自微波源的微波辐射供应至反应器中。为了提高能量的利用和微波辐射的供应，通过中心供应管从下部向反应器的混合室中引入气体或气体混合物，其中所述气体供应管至少部分地被通过供应流化气体而流化的静态环形流化床所包围。通过所述中心气体供应管实施微波的供应。
本发明的目的是以有效方式将灰的残碳完全燃烧，同时提供一种在能量方面尽可能高效的程序。
通过具有权利要求1的特征的本发明，可实现该目的，特征在于将具有1~20重量%碳含量的灰引入反应器中并在700~1100℃、优选750~900℃的温度下在其中进行燃烧，其中在燃烧期间，将微波辐射供应至反应器中并至少部分回收在燃烧期间所释放的能量。此处，流化床反应器的使用是首要有利的，因为以此方式，每单位时间内微波辐射能够到达特别高量的灰表面。由于利用微波进行照射，所以优选对灰中的残碳进行加热，导致燃烧速率提高。残碳燃烧释放的能量随后被部分回收。通过供应相应量的空气或另外的燃料，将燃烧温度保持在~800℃下。在绝热条件下，能够将温度升高△T表示为残碳含量的非线性函数，据此，在飞灰中1重量%的碳的条件下，每重量百分比的碳的温升为~290℃，在5重量%的碳的条件下，每重量百分比的碳的温升为~170℃，且在10重量%的碳的条件下，每重量百分比的碳的温升为~120℃(假设：灰中的主要矿物成分是SiO2且废气中氧的含量为1.7~1.8%)。由此，不仅能够将灰转化成适合倾倒或甚至可用于水泥工业中的材料，而且还能够利用碳内容物以回收能量。
在燃烧之后，剩余的灰残余物中的残碳含量低于0.1重量%，优选不超过0.01重量%。
在本发明的优选方面中，将灰在至少100℃、优选至少120℃、尤其优选150℃~300℃的温度下装填到反应器中，因为以此方式必须供应更少的另外的能量用于燃烧工艺。特别地，已经发现有利的是，直接在其产生之后，例如在燃煤电站中，将灰经历本发明的方法。这将使得可对预热的干灰进行直接加工。
另外，将首先在倾倒之后临时能够具有不超过20重量%、尤其不超过15重量%的残水含量的灰供应至在反应器上游提供的干燥装置。在该干燥装置中，将灰预热至至少100℃、优选至少120℃、尤其优选150℃~300℃的温度，其中同时，灰中所含有的水因这种加热而蒸发。由于这种预处理，可减少引入反应器中的能量的量。
在本发明的优选实施方案中，将在干燥期间得到的水作为冷凝物供应至蒸汽发生器中并将该蒸汽的至少一部分作为能量载体再次循环入干燥装置中。由于该循环在内部，所以能够使得干燥阶段的能量损耗最小化。
根据本发明的能量回收的一个方面提供，对反应器中释放的能量进行至少部分利用以产生蒸汽。当工艺包括干燥装置时，特别地，建议至少部分使用在燃烧期间所释放的能量以在蒸汽发生器中蒸发在干燥期间得到的冷凝物并再次将由此得到的蒸汽供应至干燥装置中。在蒸汽发生器的下游能够提供其他单元以进行能量回收。
此外，根据本发明向反应器中引入其他燃料、尤其是煤是有可能的。结果，燃烧温度能够在750~900℃的特别有利的范围内保持恒定。另外，不需要通过微波辐射来实施全部能量输入。特别地，当在燃煤电站下游实施本发明的方法且由此煤易于获得时，建议使用煤作为燃料。
为了优化传质和传热，有利的是从下部通过优选的中心气体供应管(中心管或中心管道)向反应器的混合室中引入气体或气体混合物，其中所述气体供应管被灰的静态环形流化床至少部分包围，所述灰通过供应流化气体进行流化，并通过同一气体供应管将微波辐射导入混合室中。通过气体供应管引入的气体和/或所述流化气体含有燃烧所需要的氧气。
根据本发明的特别适用于实施上述方法的装置包括形成为流化床反应器以对灰进行热处理的反应器和微波源。此外，将气体供应系统连接到反应器上，以流动通过所述气体供应系统的气体将固体从灰的静态环形流化床夹带进入反应器的混合室的方式形成所述气体供应系统，其中通过所述微波源产生的微波辐射能够通过所述气体供应系统供应。同时，用于引入燃料的燃料导管向反应器内开放。最后，所述装置还包括在反应器下游提供的用于热回收的单元。
当在反应器上游提供干燥装置时，实现了装置的改进，所述干燥装置利用源自蒸汽发生器的蒸汽以循环方式运行。在这种循环中，通过导管将在干燥装置中得到的冷凝物引入蒸汽发生器中，在那里通过供入能量（优选所述能量是在反应器中的燃烧过程中得到的），可将冷凝物转换成蒸汽并原样传送回干燥装置中。
根据实施方案的如下说明和附图，也能够展现本发明的其他发展、优势和可能的应用。所述的和/或所显示的所有特征形成本发明本身或任意组合形式的主旨，与其包括在权利要求书中或其背景参考中无关。
在所述附图中：
图1显示根据本发明第一实施方案的方法和装置的工艺图；
图2显示根据本发明第二实施方案的方法和装置的工艺图；
图3示意性显示根据本发明的装置的构造。
图1显示根据本发明第一实施方案的不具有预干燥阶段的方法。通过导管1，将具有例如250℃温度和例如10t/h质量流量的干灰供应至燃烧反应器3中。同时，通过导管2将煤作为具有环境温度(例如25℃)的其他燃料引入反应器3中。原则上，此处还能够使用其他燃料如柴油、汽油或燃气。
通过微波源4，向反应器3中注入电磁波(微波)，其中能够设置不同的波长。合适的微波源包括例如磁电管或速调管。此外，能够使用具有相应盘管或功率晶体管的高频发生器。通过微波源发射的电磁波的频率通常在300MHz~30GHz的范围内。优选地，使用ISM频率435MHz、915MHz和2.45GHz。
在700~1100℃、优选750~900℃下在反应器3中进行燃烧。通过导管5和7将在压缩机6中压缩的空气作为氧气源注入反应器3中。如果反应器构成流化床反应器，则含有氧气的气体能够用作流化气体和/或单独进料。将空气用作氧气的载体特别有利，因为其能够在不增加成本的条件下从周围气氛中抽取。然而，原则上，仅能够将纯氧气作为含氧气的任何气体混合物来使用。有时压缩也不是绝对需要的。
通过导管8，将例如800℃的热的燃烧残余物和气体传送入能量回收装置9中。这种能量回收装置9能够为例如用于产生蒸汽的单元，其中然后利用蒸汽涡轮将所述蒸汽用于产生电能。如果将本发明的装置提供在电站的下游，则这种蒸汽也能够混入在电站实际运行中得到的蒸汽流中。
通过导管10将具有例如250℃温度的燃烧残余物和废气从能量回收装置9转移入旋风分离器11中，其中将灰与废气分离。然而，为了将固体与废气分离，其他分离装置如过滤器也是可能的。通过导管12从工艺中排出残余的灰，同时通过导管13将废气从旋风分离器中排出。
图2显示本发明的方法和具有用于干燥灰的上游装置的相关装置。基于该目的，通过导管1将具有15%残水含量的灰装入干燥器21中。通过导管22，将在干燥器21中得到的冷凝物供应至蒸汽发生器23中，通过导管24能够再次将其作为能量载体从所述蒸汽发生器23供应至干燥阶段21。通过导管25将源自干燥阶段21的废气排出。然后，通过导管20，将干燥的灰在例如110℃的温度和例如10t/h的质量流量下供应至燃烧反应器3中。
同时，通过导管2将具有25℃环境温度的煤引入反应器3中以作为另外的燃料。此处，同样地，具有例如25℃温度的空气用作氧气源。通过微波源4，另外将微波辐射引入反应器3中，从而对灰的碳核进行活化并使其可进行燃烧。由于根据本发明的燃烧，灰的残碳含量能够下降至0.1重量%或甚至该实施方案中的0.01重量%，如同也第一实施方案中那样。
通过导管8将具有约800℃温度的热残余物和废气供应至蒸汽发生器23中，其中将源自干燥阶段21的冷凝物转换成蒸汽。在过量的条件下，能够从蒸汽发生器23中抽取另外的蒸汽以进行能量利用。结果，通常需要将另外的水引入蒸汽发生器本身或通过未示出的导管引入供应导管22中。原则上，还可仅利用在蒸汽发生器23中通过燃烧产生的能量的一部分并提供至少一个另外的下游、未示出的能量产生阶段。
在最后的能量产生阶段之后，在图2中所述最后能量产生阶段为蒸汽发生器23，将气体/固体混合物传送入旋风分离器11中以进行分离，在此大部分从碳释放的灰与仍具有例如250℃温度的热废气分离。
图3显示具有反应器3的所主张设计的本发明装置的构造，中心管35向例如圆柱体形的反应器3内部开放，以使得中心管从反应器3的底部基本竖直向上延伸。在反应器3的底部区域中，提供未示出的气体分布器，流化气体用供应导管32通往该气体分布器。在反应器3的形成混合室34的竖直上部区域中，安排出口36，所述出口36通过导管8向用于能量回收的单元9的内部开放。通过导管10将该单元9中含有的废气和颗粒两者都从该单元9传递入未示出的分离装置11中。在与反应器3相对的中心管35的末端，安排微波源4。通过中心管35将此处产生的微波射线引入混合室34中。
通过固体导管1，将灰引入反应器3中并形成层33，所述层33在反应器3的底部上方环形包围所述中心管35。通过导管32引入的气体使得该环形流化床33流化，从而形成静态流化床。优选对供应至反应器3的气体的速度进行调节，以使得环形流化床33中的颗粒弗雷德(Froude)数为约0.115~1.15。将所述颗粒弗雷德数定义为：
Fr P = u ( ρ s - ρ f ) ρ f * d p * g
同时，
u=气流的有效速度，单位为m/s
ρs=固体颗粒的密度，单位为kg/m3
ρf＝流化气体的有效密度，单位为kg/m3
dp=在反应器运行期间反应器内存在的颗粒(或形成的颗粒)的平均直径，单位为m
g=重力常数，单位为m/s2
对环形流化床的高度水平进行调节，以使得固体达到中心管35的边缘上方并由此通过流过中心管35的气体被夹带进入混合室34中。优选对通过中心管35供应至反应器3的气体的速度进行调节，以使得中心管35中的颗粒弗雷德数为约1.15~20且在混合室7中为约0.37~3.7。
通过导管2，将另外的燃料也引入反应器3中。在液体或气体燃料的情况中，优选以在整个混合室34中实现均匀分布的方式注入所述燃料。如果燃料以固体形式存在，则所述固体成为环形流化床33的一部分，这就是必须以期望的数量比将燃料和灰引入反应器3中以对环形流化床室33所需要的固体含量进行调节的原因。
实施例1
下表1代表通过模拟得到的质量流量以及其示于图1中的方法的能量输入和输出。
表1
下表1方法的模拟在250℃的温度下在10t/h的灰的质量流量下进行。空气和煤两者都具有25℃的温度。从反应器的排出温度为800℃，最终的废气温度为250℃。
表1对干灰的碳含量(列1)与注入反应器中的空气的体积流量(列2)、得到的废气的体积(列3)、所使用的另外的燃料煤的质量流量(列4)、供应至反应器3中的微波能(列5)、所使用的干灰质量流量(列6)、在能量回收中得到的能量(列7)以及废气中残余的氧气含量(列8)进行了关联。
转化的空气的量，恰好与制得的废气一样，随灰中碳含量的增大而增大。从4重量%的碳含量起，灰的该碳含量如此之高以致于不必以煤的形式供应另外的燃料。所使用的微波辐射难以起到所需要量的其他燃料的作用。
已经发现，由于本发明，使得大量能量变得可使用，先前其与灰一起损失未被利用。
实施例2
实施例2涉及示于图2中的所述方法的模拟。在实施例2中，所述模拟是以干燥之前在25℃(干燥之后为110℃)下10t/h的灰的质量流量和15重量%的水含量为基础的。所述灰具有15~25重量%的残碳含量。空气和煤两者都具有25℃的温度。反应器的出口温度为800℃，最终的废气温度为250℃。
表2表示了在集成有对灰进行预干燥的方法中，干灰的碳含量(列1)与注入反应器中的空气的体积流量(列2)、得到的废气的体积(列3)、所使用的另外的燃料煤的质量流量(列4)、供应至反应器3中的微波能(列5)、所使用的干灰质量流量(列6)、在能量回收中得到的能量(列7)以及废气中残余的氧气含量(列8)之间的关系。
表2
表2确认了实施例1中所示的结果，但在绝对值方面，回收的能量低于实施例1，因为一部分能量用于对干燥阶段中的冷凝物进行蒸发。由于因灰的同时更低的进口温度(实施例1：250℃，实施例2：110℃)而需要更高的能量，所以仅从至少5重量%的碳含量起不必以煤的形式供应另外的燃料。
参考符号列表
1    导管
2    导管
3    反应器
4    微波源
5    导管
6    压缩机
7    导管
8    导管
9    用于回收能量的单元
10   导管
11   旋风分离器
12   导管
13   导管
20   导管
21   预干燥
22   导管
23   蒸汽发生器
24   导管
25   导管
31   导管
32   导管
33   环形流化床
34   混合室
35   中心管
36   出口

Claims (10)

1.一种降低灰中碳含量的方法，其中将具有1～20重量％碳含量的灰引入反应器中并在700～1100℃下在其中燃烧，其中在所述燃烧期间，将微波辐射供应至所述反应器中并至少部分回收在所述燃烧期间所释放的能量，其特征在于，将另外的燃料引入所述反应器中。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述另外的燃料是煤、柴油、汽油或燃气。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在燃烧之后所述灰的残碳含量不超过0.1重量％。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将具有至少100℃温度的灰引入所述反应器中。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将具有至多20重量％的残水含量的灰供应至在所述反应器上游提供的干燥装置中。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将在干燥期间得到的水作为冷凝物供应至蒸汽发生器中并将在所述蒸汽发生器中得到的蒸汽至少部分地作为能量载体再次供应入所述干燥装置中。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述反应器中释放的能量进行至少部分利用以产生蒸汽。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从下部通过至少一个气体供应管向所述反应器的混合室中引入气体或气体混合物，其中所述气体供应管被由灰构成的静态环形流化床至少部分包围，所述灰通过供应流化气体进行流化，并通过所述气体供应管将微波辐射供应至所述混合室中。
9.一种利用具有流化床的反应器降低灰中碳含量的装置，其中所述反应器(3)包括气体供应系统，以流动通过所述气体供应系统的气体将灰从静态环形流化床(33)夹带进入混合室(34)的方式形成所述气体供应系统，所述静态环形流化床(33)至少部分包围所述气体供应系统，具有用于将灰进料到所述反应器(3)中的固体导管(1，20)，具有通过所述气体供应系统将微波辐射供应至所述反应器内的微波源(4)，具有用于将燃料进料至所述反应器(3)中的燃料导管(2)以及在所述反应器下游提供的用于回收能量的单元(9)。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，在所述反应器(3)的上游提供有干燥装置(21)，所述干燥装置(21)利用源自蒸汽发生器(23)的蒸汽以循环的方式运行。
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