CN1036069A - 通过向第二燃烧区喷射吸附剂来除硫的方法 - Google Patents

Abstract

将加到燃烧产物中的硫吸附剂和辅助氧化剂从 造渣燃烧器通入与其相连的热利用设备，在1600～ 2300生成反应气流，在该气流中硫与含有碱金属 的硫吸附剂发生反应而被除去。调节造渣燃烧器燃 烧条件，生成富燃料气体产物流，使NO_x生成量减至 最少。除去燃料中大部分不可燃矿物。在气体产物 与硫吸附剂和附加氧化剂混合前，净化热气体。这样 可在气体产物从热利用设备排入大气之前大大提高 硫组分除去率。

Description

普通的烧煤锅炉及工业加热炉直接在炉内的一个燃烧区中燃烧煤。它们通常在总化学计量大于1的条件下操作。这样可避免冒烟，但结果会产生大量氮的氧化物和硫的氧化物以及相当多的颗粒物质，这就需要使用诸如集尘器等高效的颗粒收集装置。这类加热炉其每单位容积所释放的能量较低，因此需要大容积的“燃烧室”来燃烧燃料并从火焰中吸取能量。

近年来，石油价格已上涨7倍左右。很多电力系统的锅炉及工业加热炉皆由于经费压缩而停止使用。利用一些改进的系统来改装这些锅炉及加热炉，使其烧煤而不烧油或煤气，这将节省大量的能量损耗。但是，试图在原先设计及制造的用于烧油或烧煤气的几千瓩的锅炉中烧煤会遇到难以克服的困难：即在这类锅炉中烧煤所产生的熔渣及粉尘将使加热炉及传送管道结垢，从而会明显降低效率;联邦政府及拥有发电用锅炉设备的市区或近郊区的地方当局禁止自由排放硫氧化物（下文称SOx）和/或氮氧化物（下文称NOx）;此外，适合于安装煤加工和燃烧设备的地点常常受到严格的限制;而且，原先设计的烧油或烧煤气的锅炉通常没有用于收集和清除粉尘的装置。

我们已研究出一种方法和设备可用于改装现有锅炉及加热炉的装置，它能除去燃料（如煤）中大部分不可燃的矿物成分，同时能以迄今未达到的功率密度燃烧燃料并能避免产生大量能形成酸雨的物质，如SOx和NOx。本发明的目的和性能特征如下：

高的功率密度：每一立方英尺容积的主燃烧室约为1.0百万英热单位/小时。

低的NOx：在排放到大气的废气中，NOx的含量通常低于450PPm（体积），最好低于250PPm（体积）。

不可燃物质的去除：在将气体产物通入锅炉或其他利用热的设备以前，从燃烧形成的气体产物中收集并除去燃料中不可燃矿物量的80%至90%，这取决于具体采用的设备要求。

碳的转化：在气体产物通入锅炉或其他热利用设备以前，基本上将所有的碳转化为碳的氧化物。

寿命：保护燃烧器的器壁，使对器壁有害的腐蚀和/或磨损保持在工业上可允许的限度内。

热效率：通入所用设备中的气体产物流具有约85～90%的碳质燃料化学潜能。该能量最好一部分作为显热放出，而另一部分作为气体产物中所含的CO和H₂的形式进行输送，这种气体在所用设备中很容易完全燃烧。

硫的收集：将废气从热利用设备排入大气之前，从气体产物中除去80-90%的燃料中含硫组分。

本文列入参考文献的Burge等人的美国专利US4，217，132叙述了一种用于燃烧含有不可燃矿物组分的碳质燃料的设备，该设备可将不可燃矿物组分作为液态渣分离掉而将热的燃烧产物气流通到诸如锅炉一类的热能利用设备中。在Burge等人的设备中，将固体碳质燃料（例如煤粉）喷入一个燃烧室中，同时将氧化剂流（例如预热的空气）引入该燃烧室以产生适于离心分离的高速旋流条件，使大部分液态渣甩到燃烧室的内壁上。在本文列入参考文献的共同未决专利申请NO，788，929（1985年10月18日提交）中叙述了上面已部分提及的另一种体系。

专利申请NO.788，929中叙述的设备是有造渣燃烧器的改进设备，它是经过广泛研究而得到的，这些研究包括改装原先设计和制造的用油和/或天然气的工业加热炉和电力系统的锅炉以适合造渣燃烧器的特殊要求。

本发明是对Burge等人及共同未决专利申请NO.788，929所公开的一类造渣燃烧系统的进一步改进，更具体地说，要降低SOx和NOx的排放量，同时要满足上述其他要求。

根据本发明，将一股热的、富燃料的气体产物流（最好来自共同未决专利申请NO.788，929所述的体系）作为一种载热燃料气送入普通的锅炉或加热炉中。这些气体产物的温度等于或高于燃料不可燃组分的粉尘熔化温度，该温度最好约为在2600°F～3200°F。当该气体产物流进入加热炉时，使该气体流与下列两种物质混合：（1）用来吸附硫的含碱土金属的吸附剂，例如粉状石灰石，（2）足量的附加氧化剂，以使该设备的总化学计量提高到约为1.1～1.3。由于硫吸附剂与高温气体产物密切接触同时迅速混合，硫的吸附剂在数毫秒的时间内突然煅烧，生成了多孔性的固体颗粒，这种固体颗粒可使吸附剂中的碱土金属与气体产物中的含的硫成分发生反应。结果，将气体产物从锅炉或加热炉排入大气之前，燃料中所含的大部分硫被转化为碱土金属的硫酸盐，并可从该气体产物中除去。用这种方法和设备我们已经获得了重复和一致的结果，即可使废气中的SOx浓度降低80～90%。据我们所知，适用于常规发电用的锅炉和工业加热炉的其它烧煤方法和设备都不能使SOx的排放量达到如此低的程度。

在一个较佳实施例中，将诸如煤粉一类的粉状碳质燃料在靠近燃烧区一端的中心处送入燃烧区。将氧化剂流喷入燃烧区，喷入的方式和方向应使氧化剂与燃烧产物的混合物沿着燃烧室的器壁形成一股高速旋流。高功率密度的燃烧使燃料转变成含有CO、H₂并夹带熔渣的气体燃烧产物，这种熔渣是由燃料中的不可燃矿物组分熔化而生成的。这种高速旋流会产生如下情况，使大部分熔渣被离心推向燃烧区器壁内表面。

将氧化剂和粉末燃料的喷入速度和质量流速作为独立变化的参数加以调节，以便控制燃烧区内的条件。更准确地说，通过控制这些独立变化的参数我们使该体系调节为：

（a）保持燃烧区内的燃烧温度高于燃料中不可燃矿物组分的粉尘熔化温度，该燃烧温度通常约为2600～3200°F，这取决于所用燃料的性能，

（b）使燃烧气体产物中夹带的挥发和/或液态熔渣滴的量减至最小，

（c）保持燃烧区总化学计量约为0.7～0.9，

（d）将燃料中所含的碳基本上全部转变成碳的氧化物（例如CO和CO₂），以及

（e）从燃烧气体产物中分离大部分粉尘（呈熔渣形式）。

将含有硫化合物的燃烧气体产物通入熔渣收集区，再通过一个合适的管道将其送到一个与之相连的热利用设备中，如一个普通的加热炉或锅炉。在燃烧产物通入热利用设备之前或基本上与之同时，立即使附加的氧化剂和硫吸附剂与燃烧产物混合，使化学计量达到1.1～1.3，最好约为1.2。快速混合结果会使温度至少降至约2300°F，而使硫的吸附达到最大。所加入的吸附剂量最好足以使碱土金属与硫的摩尔比约为2～5，这取决于煤的含硫量和所要降低的SOx程度;该摩尔比最好为2.5～3.5。SOx的降低率可达60～90%，这取决于所用煤的类型。从二次氧化产物中得到热量，并用诸如集尘器等合适装置收集含少量粉尘的废吸附剂。

最好在气体产物离开熔渣收集区后才向其中加入附加的氧化剂;而且，要使熔渣收集室的化学计量为0.7～0.9，即保持富燃料状态，从而使生成的氮氧化物减至最少;还要保持熔渣收集室内的温度高于粉尘的熔化温度，这样有助于以熔渣的形式除去残余的不可燃物质。于是，将这种基本上已除去所有熔渣的气体产物以一种燃料气体的高速旋流形式从熔渣收集室通入与之相连的热利用设备，这种燃料气流具有呈显热形式的动能并具有呈高浓度CO和H₂形式的潜能。当该气流离开熔渣收集室时，其温度高于燃料中不可燃组分的粉尘熔化温度，所说的温度约为2600～3200°F，这取决于所用燃料的性能。

将气体产物通入热利用设备时我们加入附加的氧化剂，实质上有二个目的：第一，可提供足量的附加氧化剂（例如空气）以使燃料气完全燃烧，并使加热炉或锅炉中的总化学计量约为1.1～1.3。第二，在硫吸附剂与气体产物混合之前或紧接其后，可将气体产物的温度降到足以避免吸附剂颗粒死烧的程度。在气体产物通入热利用设备后的短时间内，最好将其温度降至约2300°F。当然，可以肯定，加入附加的氧化剂结果会使气体产物中所含的CO和H₂燃烧，随着热能的放出，会使火焰温度升高。通过放热，将热能从气体产物转移到比其冷得多的锅炉水管壁上并与锅炉或加热炉中再循环的冷空气混合，从而可消除上述现象。本发明的一个重要方面是在吸附剂迅速煅烧的最佳条件下，使硫吸附剂（例如粉状石灰石）与基本上不含熔渣的气体产物迅速混合，使吸附剂变成一种能提高其反应活性的物理状态，以用于收集气体产物中所含的硫化合物。这种从熔渣收集室流出的相对来说不含熔渣的气体产物，其作用如同一种强的类似喷灯的辐射能源。所加入的吸附剂（例如碳酸钙）即使没有完全混入气体产物中，也会在几毫秒的时间内快速煅烧，分解成CaO和CO₂。这样快速煅烧结果会生成高孔隙率的氧化钙颗粒，它具有相当高的表面积与质量之比，从而能增加CaO与SO₂及其它含硫物质的接触，因此，在气体产物从热利用设备排入大气之前会明显提高气体产物中硫的去除率。

图1是预期的造渣燃烧器-加热炉组合设备的视图，其中包括一个辅助的空气和硫吸附剂的喷射系统。

图2是图1所示设备的更详细的侧视图，它描绘了部分操作的动态过程。

图2A表示一个喷射器的替换位置，以将硫吸附剂喷入气流中，从而通入所用设备。

图3是图1和图2所示设备的侧视图操作时与锅炉模拟器相连。

图4是硫收集百分数对钙-硫（Ca/S）摩尔比的关系曲线图，在各次实验中均使用Vicron^TM和Marblewhite^TM200型石灰石。

本发明提供了采用特殊设备和方法的一种系统，该系统能在碳质燃料燃烧而产生热能的过程中更有效地回收硫，并能最有效的除去固体不可燃物质，同时可使氮氧化物的生成量减到最少，并能在气体产物通入一个与之相连的热能利用设备之前收集并除去80～90%或更多的熔渣，在所说的热能利用设备中，硫吸附剂与气体产物中的含硫组分发生反应。

采用这些方法和设备制备粒状碳质物料及使其燃烧所用的氧化剂，以便在流体流动区域内迅速点火和反应，即可达到这些改进。

目前这种设备最好包括组装在一起的下列机械构件：一个预燃烧室，一个主燃烧室、一个熔渣收集装置和一个连接加热炉的导管、将附加的氧化剂引入辅助氧化燃烧器的装置以及将硫吸附剂加到从熔渣收集装置流出的气体产物中的装置，实质上在气体产物通入加热炉的同时或在此前的短时间内加入硫吸附剂。

此处所用的术语“粒状碳质燃料”是指含有不可燃矿物的含碳物质，该物质能以分散状态作燃料使用，这种分散状态的物质可以游离颗粒悬浮在载带流体中，也可为一种浆液。典型的碳质物料包括煤、炭、固体废物回收处理中的有机残渣、分散在液体中的焦油及类似物。原则上这种碳质燃料可为任何物料，该物料能以散离液滴或颗粒分散于主燃烧室中，并在其中燃烧而形成含有H₂和CO的气体产物的高速气流。该燃料一般为煤粉。

术语“氧化剂”是指空气或富氧的空气。

术语“载带流体”是指一种气体或液体，它可以是惰性的或是一种氧化剂。最好用一种氧化剂作载气，而水是一种较好的载液。

术语“造渣燃烧器”是指一种由Burge等人和/或专利申请NO.788，929所提出的普通设备，在该设备中，在大部分粉尘以熔渣形式从气体产物中分离而除去的条件下，使碳质燃料（例如煤粉）燃烧。

术语“碱土金属”是指周期表中Ⅱ（a）族元素，特别是指钙和镁。

术语“硫吸附剂”是指一种能与气体产物中所含的硫化合物进行反应的物质，从而能以固体形式除去大部分含硫组分，这种固体可被收集在一个普通集尘室或其他系统中，这样可在废气排入大气之前从废气中除去固体颗粒。实际上可用任何含碱土金属的基料，该基料能与燃烧的气体产物中所含的硫化合物发生反应。例如可用粉状石灰石、白云石等钙化合物和如碳酸镁一类的镁化合物。目前最好的硫吸附剂是粉状石灰石，该粉末的粒径为大约70%的颗粒能通过200目的筛孔。

现在参见图1、2、2A和3（它们示出了本发明的较佳操作系统），其中，氧化剂的预处理在一个短的小型圆柱形预燃烧器10内进行，基本上将所有的第一氧化剂都通入该预燃烧器。一部分第一氧化剂经导管12加入并用于使碳质燃料总量的10%-25%燃烧，以生成第一反应产物。第二部分第一氧化剂经导管14加入预燃烧器10，并与第一反应产物混合，以形成热的、富氧化剂的气流，该气流以受控方式直接进入主忌帐?6。富氧化剂气流载带着所有剩余的预燃烧器燃料及不可燃物质，包括分散在整个体积内的仍燃烧着的碳质颗粒。预燃烧器的温度约为1500～2000°F或更高些。

操作时，将预燃烧器中的粒状碳质物料（在大多数情况下作为固体）送入预燃烧器10端头的强气体旋流中。通过一个位于中心的喷射器（未示出）引入，以产生一种粒状碳质物料的圆锥形气流，混入第一氧化剂的旋流中。一旦点火以后，第一或主要的氧化剂和所生成的反应产物的旋流产生热气体和燃烧颗粒的再循环区。在用空气作氧化剂以及在约为300°F或更高的温度下引入该空气时，预燃烧器的几何形状应能维持其中的燃烧。设计预热燃烧器时最好使所有物料流从端头流向矩形出口18处，以保证预热器10中不留固体或液态熔渣。通过控制粒状碳质物料进入第一氧化剂流的质量流速来调节总化学计量，以保持上述预燃烧器的出口温度。

在预燃烧器10中产生的热的氧化剂和反应物，通过矩形出口18进入圆柱形的主燃烧器16。从预燃烧器排出的物流实质上按切线方向被引入主燃烧室16的内壁。预燃烧器10的矩形出口18平行于主燃烧器轴线的尺寸大于它垂直于主燃烧器轴线的尺寸。最好长/高比为2.5/1。最好使矩形出口的中心线对准预燃烧器的纵轴，并处于主燃烧器纵轴中心点的上方，即从端头20至主燃烧器的隔板22距离的约1/3-1/2处。

通过按上述方式安装预燃烧器10的矩形出口18，使预燃烧器的排出气产生旋流并使主燃烧器16内的气流发生旋流。我们已经发现，通过使用安装在预燃烧器10的矩形出口区内的挡板24，将预燃烧器出口流速调节为330英尺/秒，则在主燃烧器燃料进料速率变化较大的范围内能获得满意的燃烧效果。如图2所示，上述矩形出口18的位置，还会使排出气流分成流量几乎相等的两部分：一部分气流沿器壁旋转，流向端头，而另一部分气流通常沿主燃烧器16的器壁成螺旋形运动流向其出口。流向端头的旋流的轴线部分的速度较低，通常为50英尺/秒。这股气流在主燃烧器的端头20处返回向内，然后一直沿着螺旋形的流动途径，轴向回流到主燃烧器的出口。在主燃烧器的出口端安装隔板22，该隔板垂直于主燃烧器的轴线，而且通常在位于中心处具有开孔。

通过位于端头中心附近的燃料喷射装置28将大部分碳质燃料喷入主燃烧器，该喷射装置从端头20向主燃烧器16伸延到矩形开口18的上方一点。喷射装置28可将粒状碳质物料以载于气体或液体中的固体形式，呈圆锥形流向引入旋流区。

如上所述，流入主燃烧器16的热的第一氧化剂分成两股气流，约50%的预燃烧器排出气流向端头20，在富燃料的反应区内使燃料点燃，这时整个端头区的化学计量约为0.4～0.5。引入的其余氧化剂流向主燃烧器16的出口端22。圆锥形流向燃料喷射流与高速旋流的交互作用使燃料、热的氧化剂和燃烧产物充分和快速混合。燃料中大部分可燃组分在快速穿过热氧化剂气流时被氧化，以反应热的形式放出热能，并进一步加热所生成的燃烧产物。自由流动的颗粒通常按螺旋形的途径流向主燃烧室的器壁和出口端，所有这些在共同未决专利申请NO.788，929中有更详细的叙述。

在通常的操作中，一小部分（最好不超过12%）的燃料中所含的碳以未燃碳的形式到达主燃烧器的器壁，这种未燃碳通常为可燃的碳，它们可以继续燃烧。粘度约为250泊的一层熔渣，沿着主燃烧室的器壁成螺旋形流动，由于空气的推力及其自身的重力，流向出口端的隔板22。一般通过快速加热颗粒而使燃料燃烧，这会使挥发性有机物气化，这种有机物约占可燃物质总量的30～50%（重量）。其余部分主要在主燃烧器16内部流动过程中被烧成炭粒。

在主燃烧器16的端头产生的富燃料气体，通常流向出口端的隔板22，并保持旋流，最后被隔板逼向中心与燃料和富燃料气体发生反应，使主燃烧室16的总化学计量约为0.7～0.9，最好约为0.7～0.8，可生成作为主燃烧器流出产物的一种热的燃烧产物流，其中富含CO及H₂，从而可除去大部分作为液态渣的不可燃物质。

沿主燃烧器16中心线流动的辅助再循环强气流，即通常沿中心线流向主燃烧器端头的气流，可进一步加快主燃烧器内的混合和反应。这种再循环气流也是旋流，所以实际上呈螺旋形流向;但是它的轴线朝向主燃烧器的端头。在主燃烧器16的内部形成一个富燃料的中心部分。通过控制预燃烧器出口流速，并选择主燃烧器板孔26的直径可确定和控制该逆向流动中心部分的平均直径和质量流速。最好使预燃烧器出口流速约为330英尺/秒０蹇椎目拙队胫魅忌掌髦本吨茸詈迷嘉?.5或更大。这样可产生理想的辅助再循环气流，以加强对主燃烧器16中的点火和整个燃烧过程的控制。

在接近板孔26的内径处，切线速度在主燃烧器中心线处近乎降为零。在燃料颗粒燃烧初期，该旋流区可加快其径向速度，同时可使已烧尽并已缩小到约10微米大小的颗粒作为熔渣被收集在主燃烧器内。

设计燃料喷射装置28时，要使熔渣沿其外表面从端头20流向粒状碳质燃料的喷射点。喷射装置上这种很热的（熔渣）外表面起着保持火焰的作用，可保证燃料颗粒离开喷射器后立即被点燃，从而可加速并最有效的燃烧。在操作中，流动的熔渣沿着离固体颗粒喷射点不远的喷射器被除去，形成了强辐射的中心点，并点燃端头部位产生的富燃料气体。

当用气体作载带流体时，粒状碳质燃料以重相传送方式被送入主燃烧器中，其中的固体/载带流体的比例在正常功率下约为3/1-10/1（重量）。在上述范围内调节该固体/载带流体的比例，可提供另一种独立变化的用于控制主燃烧室16内燃烧条件的方法。当燃料作为一种浆液加入时，所用的燃料对载带流体的重量比例约为2∶1或更高。主燃烧器16中的燃烧产物足够热，以使熔渣层的温度高于燃料的粉尘熔化温度，最好使该温度高到足以使熔渣层的粘度约为250泊。从而使熔渣沿主燃烧室16的器壁自由流动。流向主燃烧室金属器壁上的冷却剂是受控制的;颗粒燃料的质量流速也是受控制的;来自预燃烧器的氧化剂的质量流速及流速也是单独受控制的。这些独立变化参数的配合调节可使主燃烧室的温度保持在避免熔渣挥发的范围内，即应能在金属器壁上保留一层熔渣保护层并使液态熔渣连续流动，经熔渣层流向熔渣清除装置。端头区域和中心部分富燃料气体的燃烧，有助于控制NOx的量达到环境所容许的水平。

预燃烧器10和主燃烧室16的器壁最好由水冷的管-膜结构构成，通常冷却管成环形缠绕。这种管-膜结构还装有能挡住熔渣的螺栓。最初该容器壁衬有一层可被腐蚀的耐火材料，涂层额定厚度约为0.5英寸，并用螺栓支承。在运行中，所用的耐火材料能使熔渣以凝结薄层牢固粘附在耐火材料上，而其余的熔渣流过该凝结渣层。经过长时间运转后，这种耐火材料被腐蚀掉，即损失掉。但是被腐蚀的任何部位立刻被凝结的熔渣所代替。耐火材料及凝结和熔化渣层的结合对焊接的管-膜器壁结构提供了抗热和抗化学的保护作用。局部的熔渣流本身也能填补任何损失的耐火材料。冷却回路的设计，使金属器壁的温度达325～600°F，可预防酸性化合物冷凝，从而使腐蚀降到最小程度。

主燃烧室16的纵轴位置最好与水平线成一夹角，以保证形成合适的熔渣流，避免在主燃烧室底部积累过多的熔渣。通常这种熔渣被空气推力驱动，沿着主燃烧室16的器壁或螺旋形流向出口端的隔板22。当熔渣流沿主燃烧室16的器壁积累，由于重力超过了空气的推力，大部分熔渣流向主燃烧室的底部。聚集于底部的熔渣流向隔板22。隔板22有一个位于中心的矩形狭缝，或称“栓孔”（未示出），该狭缝从孔26伸延到主燃烧室16的底壁。该矩形狭缝可使熔渣流过邻近主燃烧室16底壁的隔板。当燃烧200目的煤粉时，可从气体产物流中除去煤中80-95%的不可燃物质，这种不可燃物质作为液态渣被收集并通过位于熔渣回收室30底部和隔板22栓孔下方的排渣辅助系统而被清除。

只要把主燃烧室的长/径比定为2∶1;隔板直径对主燃烧室直径之比定为0.5或更大，并使200目的煤粉真正自由流动燃烧（如上所述），在流出主燃烧室之前，燃料中所有的碳基本上都能转变为碳的氧化物，即CO和CO₂;实际上主燃烧室16不会带出未燃烧的碳。将来自主燃烧室16的燃烧产物和液态熔渣通入熔渣回收室30。熔渣回收室30的直径最好等于或大于主燃烧室的直径，其轴长约等于其直径。熔渣回收室的底部有一排渣孔32。熔渣回收室的顶部有一个圆形开口，具有过渡式几何形状，以与伸延到所用设备36的导管34连接。如图所示，导管34在离开熔渣收集区时最好与主燃烧室16的轴线成一夹角，并且按1∶2的长/径比伸延，然后拐弯，使燃烧产物流水平流向所用设备。熔渣回收室30在主燃烧室的隔板22和出口40之间还具有一段足够的距离，使大部分残留在离开隔板22的气体产物流中的熔渣滴被收集在熔渣回收室30的器壁上。

与隔板22相连的熔渣回收室30形成了热的再循环气流，该气流成螺旋形流向返回主燃烧室16的中心部分。此富燃料的中心部分通常约为主燃烧室隔板孔径的70～75%。结果能提高孔板开口处的燃烧产物流排出的切线速度和轴向速度。处于该气流中的熔渣滴被进一步加速，流向熔渣回帐?0的器壁，作为熔渣而被收集。更重要的是，根据本发明的实施方案，在熔渣回收室30中的富燃料气的高速旋流，既可作为所用设备36的进料，又可作为回收硫的主要部分。所吸收的熔渣被收集于贮渣槽38中。燃烧产物在还原条件下离开熔渣回收室30，并进入通向所用设备36的过渡导管40，在图中该所用设备以加热炉或普通工业锅炉的前壁42表示。

导管40周围是一个风箱44，通过管道48加入附加的氧化剂。从导管40排出的燃烧气体与邻近炉瓦46的环状开口50排出的辅助氧化剂混合，这样形成的混合物能促使热利用设备中的燃料气完全燃烧。氧化剂气门52控制流向会聚管54的氧化剂流量，以使加热炉中的化学计量保持在所需的1.1～1.3的范围，最好约为1.2。

可用任何合适的方法将硫吸附剂引入该系统中，例如用切线式喷射器56（图2）或者单管式喷射器58（图2A），这种单管式喷射器可为共轴-针栓式喷射装置，如本文列为参考文献的Burge等人的美国专利US4，386，443所述。

燃烧气体中含有各种形式的硫组分。其中主要组分是二氧化硫（SO₂）。其他可能存在的组分包括三氧化硫（SO₃）、碳酰硫（COS）、H₂S和二硫化碳（CS₂）。当它们和附加氧化剂混合时，大部分转变为二氧化硫。

在硫吸附剂中的碱土金属与二氧化硫反应时要避免实际温度过高，因为高温下的动力学有利于逆反应。因此，最好使硫吸附剂、附加氧化剂和硫组分在实际温度低于约2300°F的条件下混合。

例如，在钙化合物情况下，在低于2300°F的温度下煅烧，会生成一种对SO₂具有非常高反应活性的物质。该反应按如下方式进行：从管道40排出的燃烧气体与硫吸附剂和附加氧化剂充分混合。由于附加氧化剂（例如空气）混入气体产物中，可使气体产物的平均温度降为1600～2300°F，最好约为2000°F。最好在颗粒输送阶段的约1～10秒内，并在离加热炉36的气体产物进入点约3～12英尺的距离产生这些现象。在这一范围内，通过如下简单的反应发生硫的吸附：

硫的吸附反应是可逆的，反应动力学与温度成正比，温度高于2300°F时，对硫的吸附不利。

也值得注意的是象石灰石这类钙化合物在煅烧过程中由于放出气体及产生热应力，使它分裂成更细的颗粒，以暴露出大量用于吸附硫的表面。石灰石是一种最廉价的碱土金属硫吸附剂，因此是较好的硫吸附剂;其他合适的吸附剂有白云石、熟石灰、压制熟石灰及类似物。

在气流进入热利用设备36时，来自熔渣回收室30的气体产物约占流入锅炉或加热炉的总气流的75～85%。因此，该气体产物成了热能的主要来源或使硫吸附剂迅速煅烧。而且，它们提供了旋流动能，以使硫吸附剂和附加氧化剂充分混入气体产物流中。于是，在约1600～2300°F的温度下，最好在约1800～2000°F的温度下，在气流进入加热炉或锅炉后的几秒钟内使气体产物中所含的硫组分与硫吸附剂接触。

另外，参看图2A，可在气体产物离开熔渣回收室后，用一个针栓阀58把硫吸附剂喷入该气体产物中，这时该气体产物的温度高于粉尘熔化温度。这样做的好处是促使其在2～20毫秒时间内迅速煅烧;同时由于硫吸附剂在零点几秒的时间内被送入低温环境，（即加热炉或锅炉）从而可避免硫吸附剂的“死烧”及晶格或基体结构发生变化。

在这段时间内，这些颗粒还来不及达到产生大量气体的温度，在约2300°F或更低的实际温度下，仍保持颗粒状。在锅炉中，由于数种冷却机制的联合作用，可使气体产物迅速冷却至较低温度，即1800～2000°F，这些冷却机制是：通过辐射使热转移到冷得多的锅炉的水管壁上;与锅炉或加热炉内的较冷循环气体发生对流混合;与加入的辅助氧化剂混合，这种氧化剂可与吸附剂同时引入，也可分别引入，然后在锅炉中与气体燃烧产物混合。

我们认为，在操作时应避免炉温高于2300°F，因为在较高温度下，逆反应（CaSO₄分解成SO₂）将变得较显著。但是，据我们的经椋淌奔涓哂?300°F是容许的，这对硫吸附剂保留它用于吸附硫的多孔性能没有不利影响。目前较好的吸附剂为粒径小于200目的石灰石颗粒。但是，已经发现，吸附剂吸附硫的能力并不完全取决于其粒径，采用0.5～70微米粒径的粉状硫吸附剂，可取得良好的结果。

本发明的一个重要方面是这种造渣燃烧器系统可在气体产物通过管道40进入加热炉36之前，从该气体产物中除去80～90%的不可燃物质。值得注意的是，若硫吸附剂与大量的粉尘一类固体物质接触，就会失去活性，使硫吸附剂的除硫能力降低。除了用混合和稀释方法进行冷却外，另外可通过辐射将热传给炉壁和较冷炉气的回流以冷却到所要的温度。可用各种合适方法（包括旋转气流法，顺流法和逆流法）把辅助氧化剂引入从导管40排出的燃烧气流中。

如上所述，硫吸附剂可与氧化剂或与燃烧产物一起引入，但停留时间必须足够短，以免吸附剂颗粒“死烧”。参看图4（它表示硫的除去率与（Ca/S）摩尔比的关系曲线），该曲线表明，几次实验结果能很好吻合，其中包括图2A所示的用喷射法加入硫吸附剂的实验。所用的硫吸附剂为Vicron^TM200型石灰石和各种煤。把各种硫吸附剂进行比较，它们的性能都同样好，在（Ca/S）摩尔比约为2.5～3.5时，得到的硫降低率为80～90%。当煤的硫含量较少时，为达到同样的SO₂降低率，须用较高的（Ca/S）摩尔比。因此（Ca/S）摩尔比的范围应为2～5，最好约为2.5～3.5。

将硫吸附剂直接喷入燃烧产物中（如图2A所示）与将硫吸附剂喷入辅助氧化剂进行比较，在其他参数均相同的情况下，似乎前者的除硫率稍高于后者。如上所述，在锅炉34中的氧化剂引入点4至12英尺的区间内，硫的吸附较完全。

图3表示与锅炉模拟器56相连的造渣燃烧系统，其额定功率为40兆英热单位/小时，该锅炉模拟器包括一套具有水冷内壁和外壁的吸热组件58。该内壁很好地模拟了常规加热炉的辐射特性。来自主燃烧室16的导管30与锅炉的一端42相连接，在主燃烧室中进行第一阶段燃烧，以产生燃烧产物旋流，该燃烧产物是具有氧/燃料比约为0.7～0.9的富燃料气。通常，在下文所述的试验中，造渣燃烧器被控制为：

（a）从气体产物中除去约70～80%的不可燃矿物，以及

（b）在2600～3200°F的温度下，向锅炉模拟器56提供气体产物流。

与氧化剂和吸附剂喷射系统44相连的管道34向锅炉供料，该锅炉运行时的化学计量为1.1～1.3，最好约为1.2。必须小心控制总化学计量，以得到除去SO₂的合适条件。

通常，燃烧气体在温度约为2600～3200°F和化学计量为0.7～0.9的条件下以高速旋流进入锅炉。最好引入足量的氧化剂以使总化学计量高达约1.2，而引入的硫吸附剂应足以使（Ca/S）摩尔比约为2～5，最好约为2.5～3.5，这取决于燃料中的含硫量。吸附剂和附加氧化剂的稀释作用、热的辐射传导以及较冷炉气的回流可使气体温度降至约2000°F或更低，在此温度下硫吸附剂的吸附快速进行以除去硫化合物。该气体通过锅炉模拟器56后即进入对流段60，在这里除去多余的热，然后进入急冷室62，在这里该气体被喷淋的水冷却，最后进入洗涤塔64，在这里，收集已失效的和部分失效的吸附剂及未被回收的熔渣颗粒，然后将废气排入大气。下面将以真实试验的实施例来说明实施本发明的除硫效果，但这些实施例不能限制本发明。

实施例1

用两种煤做试验。一种为Pittsburgh8号，其中含硫约2%，另一种为wyoming Rosebud，其中含硫约0.6%。所用的吸附剂为粉状石灰石及加压水合镁石灰，前者由Pfizer公司制造及销售的牌号为Vicron^TM的碳酸钙。第一组试验用的是Pittsburgh8号煤及粉状石灰石。在（Ca/S）摩尔比为3时，SO₂降低率约为90%。重复该试验时结果相同。然后再用Victon^TM吸附剂进行试验，在（Ca/S）摩尔比为3时，得到相同的SO₂去除率。

第二组实验用的是wyoming煤和Vicron^TM的硫吸附剂。结果发现除硫率良好，即使用一种含硫量相当低（约0.6%）的Western煤进行试验，除硫率也达70～90%。

如上所述，图3所示的锅炉模拟器与额定功率为40兆英热单位/小时的燃烧器相连。进入预燃烧器的空气进料温度为100～500°F。在预燃烧器中约消耗25%的煤粉以在1500～2000°F的温度下传送氧化剂（空气）。这种热空气是按切线方向引入造渣燃烧室16的。

在预燃烧室和主燃烧室中，煤以重相形式进行输送，煤在这两部分的总输送速率为1.5吨/小时。在锅炉模拟器中大部分气流的停留时间约为4.5秒。进入主燃烧器的燃烧产物温度超过3000°F。进入的辅助空气温度约为450°F，在出口处所产生的废气温度约为1800～2000°F。

实施例2

用例1所述的和图2所示的燃烧器-锅炉模拟器进行除硫效果的试验，所用的煤为Ohio6号煤，所用的吸附剂为Vicron^TM及Marblewhite^TM200两种石灰石。两种试验都在稳定态条件下进行。对Vicron^TM作了常规分析，并对Vicron^TM及Marblewhite^TM200两者皆作了化学分析，分析结果列于表1。Ohio6号煤的平均粒径约为50微米。用筛分法测得Vicron^TM及Marblewhite^TM200石灰石的平均粒径约为50微米。初步研究表明，Vicron^TM和Marblewhite^TM200的性能相同，二者都能在（Ca/S）摩尔比约为2时除去45～80%的硫;在（Ca/S）尔比约为3时除去55～90%的硫，在锅炉模拟器中辅助空气的进入点4至12英尺的区间内除硫完全，在图3所示的锅炉模拟器总长度的50%的区间内除硫完全。

表1、硫吸附剂的分析结果（重量百分数）

Vicron^TM（1）石灰石 Marblewhite^TM200（1）

分析1    分析2    石灰石

CaCO₃98% 96.65% 98%

MgCO₃0.6% 1.6% 0.6%

SiO₃0.2% 1.0% 0.2%

AL₂O₃0.1% 0.5% 0.1%

Fe₂O₃0.025% 0.05% 0.025%

水分    0.2%    0.2%    0.2%

其余    0.875%    0%    0.875%

注（1）：由Pfizer公司制造及销售。分析结果由Pfizer公司的代理人分两次提供。对Vicron^TM来说，分析1的结果要比分析2的更近期些。

虽然仅用某些最佳实施例来说明和叙述本发明，显然对于本专业的普通技术人员来说并不受此限制，可以进行各种变更和改进而不会偏离本发明范围。

Claims (21)

1、一种用于燃烧含硫粒状碳质燃料的设备，其中，氧化剂气体和粒状燃料被引入一个基本上为圆柱形的主燃烧室，调节该设备的进料速度和质量流及燃烧温度，以使排出的燃烧气体产物中挥发性的液态熔渣的浓度降至最低，并保持燃烧室器壁的温度为一定范围，使固化的熔渣层留在器壁的内表面上，该设备改进之处包括下列构件的组合：

(a)用于预热所说氧化剂气体的装置并以一定的方式将预热了的氧化剂气体引入所说的燃烧室，其引入方式可使含有氧化剂和燃烧产物的混合物在该室内形成高速旋流；

(b)将粒状燃料喷入所说燃烧室的装置，该装置靠近所说燃烧室一端6的中心，燃料的喷入方式可使所有的燃料颗粒与所说的旋流交叉接触，在燃料颗粒到达燃烧室的器壁之前，使颗粒中所含的大部分碳都变为碳的氧化物；

(c)调节氧化剂和燃料进料速度及质量流速的装置，以在所说的燃烧室内的主燃烧区的纵向延伸的中心部分内保持一种相对富燃料的燃烧条件，在器壁附近形成一个相对富氧的环形区域，将燃料中所含的基本上所有的熔渣都甩到燃烧室的器壁上，使气体燃烧产物的温度实际上高于剂现械牟豢扇甲榉值姆鄢救刍露龋?

(d)带有一个熔渣回收室的熔渣回收装置，该装置可用来接受来自主燃烧室的燃烧产物，以便基本上收集所有的夹带在所说燃烧产物中的液态熔渣，可单独清除收集于该体系中的所有熔渣，并把载带热能的气体产物输送到与其相连的热利用设备；

(e)硫的收集装置，实质上在气体产物进入热利用设备时该装置使硫吸附剂与所说的气体产物混合，

(ⅰ)该吸附剂的含钙量足以使(Ca/S)的摩尔比约为2～5，

(ⅱ)附加氧化剂的量足以使气体产物的温度保持在1600～2300°F，在此温度下该吸附剂开始与气体产物中的硫组分接触；

(f)带有吸附剂喷射装置和氧化剂加入装置的硫收集装置，喷射装置可在气体产物进入热利用设备之前把含钙的吸附剂送入该气体产物中，氧化剂加入装置可在该气体产物中的不可燃矿物组分被基本上除去以后，把附加的氧化剂加入该气体产物中，操作该吸附剂喷射装置和氧化剂加入装置时应保持一定的时间--温度关系，即吸附剂颗粒转移及通过热利用设备时，使硫吸附剂在低于2300°F的有效吸附温度下与绝大部分的硫组分发生反应并将其收集，同时保持热利用设备中的化学计量约为1.1～1.3。

2、一种用于在燃烧室中燃烧含硫碳质燃料的设备，调节该设备中的燃料加入速率与氧化剂加入速率之比，以维持这样一种燃烧条件，使大部分碳转变成碳氧化物，大部分不可燃物质作为液态熔渣而沉积，该设备还具有如下特征：

（a）从燃烧气体产物中分离大部分不可燃物质的装置，用以提供相对无粉尘的气体产物，并将其送入与该装置相连的热利用设备;

（b）将所说气体产物送入所说热利用设备的装置;以及

（c）硫收集装置，实质上在所说气体产物进入热利用设备时，该装置使硫吸附剂与该气体产物混合，从而在气体产物从热利用设备排入大气之前，从该气体产物中除去大部分的硫。

3、如权利要求2所述的设备，其特征为所说的用于从气体产物中分离不可燃物质的装置包括一个低化学计量的熔渣回收室，可以熔渣形式单独除去燃料中基本上所有的不可燃矿物组分，同时保持气体产物的化学计量约为0.7～0.9，从而使NOx的生成量减至最少，并形成基本上无不可燃矿物的富燃料气流，可加速含硫组分和硫吸附剂的反应，并可减少从热利用设备排入大气的NOx和SOx的排放量。

4、如权利要求2所述的设备，其特征为除硫装置包括这样一种装置，它能在所说吸附剂与富燃料气体产物混合之前，使所说硫吸附剂与附加氧化剂混合。

5、如权利要求2所述的设备，其特征为除硫装置包括如下二种装置：将硫吸附剂引入热利用设备上方的富燃料气体产物的装置，及实质上在所说气体产物通入热利用设备时将附加氧化剂加入该气体产物的装置。

6、如权利要求5所述的设备，其特征为加入附加氧化剂的装置包括一个带有环形导管的风箱，该导管围绕该装置，用于将气体产物送入热利用设备，该环形导管与所说的热利用设备直接相通。

7、如权利要求2所述的设备，其特征为除硫装置带有一个吸附剂喷射装置和氧化剂加入装置喷射装置可将含钙吸附剂送入气体产物中，氧化剂加入装置可在从气体产物中除去基本上所有的不可燃矿物以后，使附加氧化剂与所说吸附剂混合，并将所生成的混合物送入该气体产物中。

8、如权利要求2所述的设备，其特征为除硫装置包括一个带有环形导管的风箱，该导管围绕该装置用于将气体产物送入热利用设备，该环形导管与所说的热利用设备直接相通。

9、如权利要求2所述的设备，其特征为除硫装置包括将硫吸附剂加入燃烧产物中的装置，及使足量的附加氧化剂与所说气体产物混合的装置，混合后可使该气体产物的温度至少降至约2300°F。

10、如权利要求2所述的设备，其中除硫装置包括如下二种装置：将硫吸附剂加到与该装置相连的热利用设备上方的燃烧产物中的装置，及加入足量附加氧化剂使该系统的总化学计量至少提高到约1.1的装置。

11、一种用于燃烧含硫粒状碳质燃料的方法，其中，氧化剂气体和粒状燃料被引入一个基本上为圆柱形的燃烧区中，调节燃烧区的进料速度、相对质量流速及温度，使燃烧区内的燃烧温度高于燃料中不可燃组分粉尘的熔化温度，同时使气体产物中的挥发性液态熔渣的浓度减至最低，该方法改进之处包括如下步骤：

（a）预热所说的氧化剂气体，将预热了的氧化剂气体引入所说的燃烧区中，引入方式应能在该燃烧区内形成含有氧化剂和燃烧产物的混合物的高速旋流;

（b）从所说燃烧区一端中心附近将粒状燃料喷入该燃烧区中，喷入方式应使基本上所有的燃料颗粒都与所说的旋流交叉接触，并在燃料颗粒从所说燃烧区排出之前，使颗粒中所含的大部分碳变为碳的氧化物;

（c）调节氧化剂和燃料的进料温度，流速和质量流速，在燃烧区的轴向延伸中心部分内维持一种相对富燃料的燃烧条件，并在所说燃烧区内壁附近形成一个相对富氧的环形区，并将燃料中基本上所有的熔渣都甩到所说燃烧区的内壁上，实质上将气体燃烧产物的温度维持在高于燃料中不可燃组分粉尘的熔化温度;

（d）收集夹带在所说燃烧产物中的基本上所有的液态熔渣，单独清除所有熔渣，并把载带热能的气体产物通入与之相连的热利用设备;

（e）实质上在气体产物进入热利用设备时使硫吸附剂与所说的气体产物混合，

（ⅰ）该吸附剂所含的钙量足以使（Ca/S）摩尔比约为2～5，以及

（ⅱ）附加氧化剂的加入量足以保持气体产物的温度约为1600～2300°F，在此温度下所说吸附剂开始与气体产物中的硫组分接触;

（f）在气体产物进入热利用设备以前，把所说的含钙吸附剂引入气体产物中，在基本上所有的不可燃矿物组分从气体产物中除去后，使所说的附加氧化剂与该气体产物混合;以及

（g）在该吸附剂被输送和通过所说热利用设备时，维持一定的时间-温度关系，以在约低于2300°F的有效吸附温度下，使硫吸附剂与大部分硫组分反应并将其收集，同时维持热利用设备中的化学计量约为1.1～1.3。

12、一种在燃烧区中燃烧含硫碳质燃料的方法，其特征为调节燃料进入的质量流速与氧化剂进入的质量流速之比，以维持如下燃烧条件，即使大部分碳转变为碳的氧化物，使大部分不可燃矿物被作为熔渣沉积，该改进方法的特征为：

（a）从燃烧气体产物中分离液态熔渣，从而将基本上无粉尘的气体产物送入与其相连的热利用设备;

（b）实质上在所说气体产物进入热利用设备时，使气体产物与硫吸附剂接触，其温度条件应能加速硫组分与吸附剂的反应，并能在所说气体产物从热利用设备排入大气之前，从该气体产物中除去大部分硫。

13、如权利要求12所述的一种方法，其特征还包括：

（a）硫吸附剂是一种颗粒物质，在该颗粒物质被引入气体产物后约1～10秒的颗粒输送时间内，该吸附剂颗粒与宀锘旌希?

（b）在吸附剂被引入气体产物的同时或在此后的约1～10秒内，附加氧化剂与该气体产物混合，以及

（c）使吸附剂颗粒暴露于环境中，该环境中气体的温度随时间而降低，这些颗粒通到和经过所说热利用设备时，其温度对时间的关系应使吸附剂颗粒迅速煅烧，使吸附剂在低于约2300°F的温度下与所说气体中的大部分含硫组分发生反应并将其收集，从而在这些气体产物从热利用设备排入大气之前，从所说气体产物中除去大部分硫。

14、如权利要求12所述的方法，其特征为所说的气体产物和所说的吸附剂与足量的附加氧化剂混合，以使该混合物的温度至少降至约2300°F。

15、如权利要求14所述的方法，其特征为，气体产物、吸附剂和附加氧化剂的混合物，其温度在该混合物进入与之相连的热利用设备后约10秒钟内被降至1600～2000°F。

16、如权利要求12或13所述的方法，其特征为硫吸附剂含有碳酸钙，在将该碳酸钙引入气体产物后的2～20毫秒内，该碳酸钙从气体产物中吸收热能而被煅烧。

17、如权利要求16所述的方法，其特征为（Ca/S）摩尔比约为2～5。

18、如权利要求14所述的方法，其特征为将硫吸附剂和附加氧化剂加入气体产物前先使其混合。

19、如权利要求12或13所述的方法，其特征为先将硫吸附剂加到气体产物中然后再送入热利用设备，并在进入该设备同时使其与附加氧化剂混合。

20、如权利要求13或14所述的方法，其特征为调节热利用设备的温度约为1600°～2000°F。

21、如权利要求17所述的方法其特征为（Ca/S）摩尔比约为2.5～3.5。

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