CN104764032A - 用于提高喷雾干燥器吸收器性能的底部灰注射 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于提高喷雾干燥器吸收器性能的底部灰注射，提供了一种用于降低气体中酸气体浓度和/或降低酸气体吸附剂消耗，同时没有增加生成的NOx的系统。将循环流化床(CFB)锅炉产生的含碱底部灰循环至下游的喷雾干燥器吸收器(SDA)装置中，以更完全地利用灰中未被利用的试剂，和/或降低试剂的用量，同时不增加生成的NOx。

Description

用于提高喷雾干燥器吸收器性能的底部灰注射
本发明专利申请是申请日为2008年9月12日，申请号为200810213898.5，发明名称为“用于提高喷雾干燥器吸收器性能的底部灰注射”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总体涉及用于产生供工业过程或发电用蒸汽的循环流化床(CFB)锅炉，更具体地，本发明涉及包括如与喷雾干燥器吸收器(SDA)组合的CFB锅炉的系统，用于从在这类锅炉中燃烧矿物燃料产生的气体中除去酸气体化合物。
背景技术
发电厂和其他燃烧矿物燃料(如,煤、油品、石油焦和/或废弃物)的工业在燃烧过程中产生各种污染物，除了其他物质外，包括在产生的废气中的酸气体(如硫氧化物)和其他不需要和/或不希望的化学化合物。
在1970年代，流化床燃烧技术首次应用于大规模的公共锅炉装置，探索出以环境可接受的合理而高效的方式燃烧固体燃料，特别是高硫煤的新型方法。概念上，流化床以颗粒的空气悬浮体(床)燃烧燃料。通过控制床温度和使用如石灰石的试剂作为床材料，就能更好地控制氮氧化物(NOx)和二氧化硫(SO2)的排放。流化床燃烧的其他益处包括宽范围的燃料适应性以及能够燃烧如生物物质或废燃料的燃料，生物物质或废燃料因为其低热值、低挥发物、高水分含量或其他富有挑战性的特性，在普通的系统中难以燃烧。目前在工业锅炉和公共锅炉的应用中采用这种新的技术。为了更好理解各种类型的流化床锅炉，读者可参考STEAM its generation and use,第41版,Kitto和Stultz著,版权所有2005，鲍勃科克和威尔考克斯公司(The Babcock&WilcoxCompany),特别是第17章，该参考文献的内容全文参考结合于本文。
一种类型的流化床锅炉称作循环流化床锅炉，或CFB。CFB锅炉广泛用于燃烧含硫燃料，因为典型的CFB炉的气体温度范围能够实现有效使用注入该炉内的石灰石和其他含碱吸附剂，用于在炉内俘获硫。最常用的碱是氧化钙，CaO(也称作石灰)，碱与废气中的二氧化硫反应，产生硫酸钙：
CaO+SO2+1/2O2→CaSO4
CFB锅炉在不使用其他控制排放的设备的条件下通常能够达到在低至中等范围(90％)的硫捕获百分率。一些燃料如油页岩甚至含有足量的碱，在典型CFB炉温下燃烧时能够达到类似的硫捕获百分率，而不需要注入吸附剂。
即使CFB锅炉能非常有效地降低废气中存在的二氧化硫量，仍存在要求进一步降低硫氧化物，特别是二氧化硫的情况。当要求硫捕获百分率大于90％范围时，只在CFB炉或反应器中要达到大于90％的硫捕获百分率将是不可能或不经济的。这些情况下，经常需要燃烧后设备。
降低废气中硫氧化物含量的最常用方法之一是通过喷雾干燥的化学吸收方法，也称作干洗涤，该方法中，将碱水溶液或浆液细雾化(通过例如机械雾化器，双重流体雾化器或旋转雾化器细雾化)，并喷入热废气中，以除去污染物。为更好理解喷雾干燥的化学吸收过程或干洗涤，读者可参考STEAM its generation and use,第41版,Kitto和Stultz著,版权所有2005,鲍勃科克和威尔考克斯公司(The Babcock&WilcoxCompany),特别是第35章,第35-12至35-18页，其内容全文参考结合于本文。
喷雾干燥吸收(SDA)反映了该过程中涉及的主要反应机理：将碱试剂浆液在热废气流中雾化为细小液滴，并从该气流吸收SO2和其他酸气体。该过程也称作半干燥洗涤，区别于将干固体试剂注入废气的过程。
在典型的锅炉设施中，SDA设置在集尘器之前。离开最后的热阱(通常是空气加热器)的废气的温度为250-350°F(121-177℃)，该废气进入喷雾室，在该喷雾室中将试剂浆液喷入气流中，将该气流冷却至150-170°F(66-77℃)。可以使用静电集尘器(ESP)或织物过滤器(集尘袋(baghouse))来收集试剂、飞灰和反应产物。集尘袋主要选择用于U.S.SDA设施(超过90％)，并在达到类似的总系统SO2排放减少情况提供更低的试剂消耗。
SO2吸收主要发生在通过喷射使水蒸发和使废气绝热冷却时。试剂的化学计量和近似温度(approach temperature)是控制涤气器的SO2去除效率的两个主要变量。化学计量量是消耗的试剂与进口SO2或在该过程中除去的SO2量的摩尔比值。依据可获得的试剂和废气中的酸气体含量，该化学计量可以在很宽的范围内变化；如，约为1至大于10。离开干涤气器的废气温度与绝热饱和温度之间的差称作近似温度(approach temperature)。对低水分的烟煤，废气的饱和温度在通常115-125°F(46-52℃)范围，对高水分次烟煤或褐煤，废气的饱和温度在125-135°F(52-57℃)范围。SO2吸收的最佳条件必须与实际的干燥条件综合考虑。
在干涤气器中使用的主要试剂是石灰浆液，可通过对高钙石灰卵石(peddle lime)进行熟化而形成。该熟化过程可以使用球磨或简便的滞留熟化器(detention slaker)。只使用石灰浆液的SDA系统被称作单程系统。一些石灰在废气最初从喷雾室通过后仍未反应，并可能用于进一步的SO2收集。收集在ESP或者集尘袋中的固体可与水混合，与SDA试剂一起再注入到SDA的喷雾室内。
如果燃料硫含量较低和/或燃料含有足量的碱，如已知一些类型的煤和油页岩的情况，灰份颗粒本身可以用作SDA中的试剂源。通常，燃料中能实现足够的硫捕获的碱是碳酸钙(CaCO3)。
能用作为SDA中捕获SO2的试剂源的灰份颗粒的另一个实例是来自循环流化床(CFB)锅炉的灰份。这种类型的锅炉通常使用石灰石，石灰石具有碳酸钙作为主要组分，将石灰石输入炉中，用于在炉中捕获燃烧过程中产生的SO2。
无论是燃料部分还是石灰石部分，碳酸钙在炉中都进行煅烧，即释放二氧化碳气体并产生固体氧化钙，CaO(也称作石灰)：
CaCO3→CaO+CO2
CaO与炉气体中的SO2反应，因此产生硫酸钙：
CaO+SO2+1/2O2→CaSO4
该反应中产生的硫酸钙覆盖颗粒表面，形成SO2不能透过的壳，因此停止反应并使其芯中的CaO未能被利用。
这些未被利用的碱包含在灰物流中，从CFB锅炉或反应器排出。通常从CFB锅炉主要排出两类灰物流：飞灰，即被废气夹带离开CFB锅炉的细小颗粒，以及底部灰份，即从炉底部排出的较大的颗粒。
为与SDA中的SO2反应，含碱的灰份颗粒必须再活化。这可以通过喷雾水湿润这些颗粒来实现。这种情况下，替代喷射石灰浆液，可将水喷入SDA中的废气中。颗粒润湿将促进未被利用的碱与废气中剩余的二氧化硫反应，因此实现硫捕获。如果注射碱浆液，碱浆液除了能对飞灰颗粒润湿外还能实现硫捕获。但是，这将导致与制备碱浆液和注射碱浆液相关的费用。利用飞灰的润湿达到硫捕获的方法在R.A.Curran等的“Cold-Side Desulfurization by Humidification of Fly Ash in CFB Boilers(通过在CFB锅炉内对飞灰润湿实现冷侧脱硫)”,Proceedings of the 13th International Conference onFluidized Bed Combustion,1995中描述。
典型的SDA过程如下。废气进入喷雾干燥器吸收器，在该吸收器中气流被试剂浆液或水喷雾冷却。然后，混合物继续通过积尘袋，用来除去颗粒，然后进入感应通风机(induced draft fan)，向上通过堆叠(passing up the stack)。如果使用石灰浆液作为试剂，将石灰卵石(CaO)与水按照控制的比例混合以保持高熟化温度，该温度有助于在水合石灰浆液(18-25％固体)中产生高表面积的细小水合石灰(Ca(OH)2)颗粒。收集在集尘袋中的一部分飞灰、未反应的石灰和反应产物与水混合，作为高固体含量(通常35-45％)的浆液返回SDA。将剩余的固体导入储存筒仓，供副产物利用或处置。将新鲜的石灰和循环的浆液(如果存在)在到达雾化器之前进行合并，以便能快速响应气流、进口SO2浓度和SO2排放中的变化，以及将结垢的可能性减至随小。
SDA中的SO2吸收发生在各浆液液滴或者湿润的灰颗粒中。大多数反应在含水相中发生；SO2和碱组分溶入液相，液相中的离子反应产生相对不溶的产物。该反应历程可描述如下：
Ca(OH)2(固体)→Ca-2+2OH-    (b)
Ca+2+SO3 -2+1/2H2O→CaSO3·1/2H2O(固体)    (g)
上述反应总体描述了当从废气传热至浆液液滴或湿润的灰颗粒，使浆液液滴或水从湿润的灰颗粒表面蒸发时发生的情况。当存在液态水时发生SO2的快速吸收。通过在试剂进料的浆液中加入潮解性的盐可减慢干燥速度，延长有效去除SO2的时间。如氯化钙的盐还提高了最终产物中的平衡水分含量。但是，因为使用这些添加剂改变了系统的干燥性能，必须对操作条件进行调整(一般是提高近似温度)，以提供SDA和灰处理系统良好的长期可操作性。在干涤气器上游注入氨也能提高SO2的去除性能。通过在下游颗粒收集器中与固体反应能以较慢的速率继续进行SO2吸收。
SDA/集尘袋组合通过以下总结的反应也提供了对HCl,HF和SO3排放的有效控制：
Ca(OH)2+2HCl→CaCl2+2H2O    (1)
Ca(OH)2+2HF→CaF2+2H2O    (2)
Ca(OH)2+SO3→CaSO4+H2O    (3)
对试剂消耗的适当计量除了要考虑在该过程中的SO2去除外，还必须考虑这些副反应。
喷雾干燥器吸收器(SDA)可以是独立的结构，或者是整合烟道的一部分，位于一个或多个颗粒收集装置，如一个或多个集尘袋或静电集尘器之前。
对SDA中的飞灰颗粒润湿还能够(在CFB炉之后)进一步降低废气中SO2和/或减少试剂，如输入该炉的石灰石和/或输入SDA的石灰浆液的消耗。但是，这并未能改善底部灰中所含的碱的利用。在美国专利申请第US2005/0287058号中解决了后一问题，该专利申请揭示将底部灰的一部分或全部循环至CFB炉。该方法虽然改进了对底部灰中的碱的利用，但是因为CFB灰中的主要碱组分CaO催化了炉中燃料挥发分释放的氮的氧化，该方法增加了NOx的产生。
因此，本领域需要能减少SO2排放和/或为减少SO2排放所需的试剂用量，同时不会引起形成的NOx增加的设备和/或方法。
发明内容
显著量的未被利用的碱与底部灰一起离开CFB锅炉。这导致降低了可利用的碱对硫进行捕获的可能性和/或含碱吸附剂的额外费用。如下面详细说明的，本发明将来自反应器的含碱灰循环至一个或多个SDA，以更有效地利用存在于灰中的未被使用的试剂，和/或减少SDA中的试剂用量，同时不增加NOx的产生量。
本发明通过注入SDA中的底部灰，并结合喷射增湿剂；如石灰浆液或水，探索出通过提高对这种含碱吸附剂来源的利用来提高硫捕获。这种方式中，底部灰也被再活化，颗粒中的碱能用于捕获硫。注射底部灰的优选位置是在将增湿剂引入气流的位置的上游。这样可以降低在SDA中生长沉积物的可能性，并改进增湿剂与底部灰的混合。但是，如果存在因对设备设置限制的要求，注射底部灰也可以与喷射增湿剂同时进行，或在喷射增湿剂位置的下游进行。
如果已知一部分底部灰，如较大粒度部分中能用于硫捕获的碱含量很低或不含这些碱，可以不注入这该部分灰。为进一步提高底部灰中碱的利用效率，在将该灰注入之前可以进行研磨。研磨提高了底部灰的反应表面积，同时机械破碎了颗粒周围的硫酸盐外壳。这两种措施都提高了碱与气体中二氧化硫的反应速率，因此提高了SDA中的硫捕获。为了降低研磨底部灰的能耗，只将一部分灰，即最粗的灰份进行研磨。
设想本发明的主要应用是在SDA设备的下游有产生底部灰的CFB锅炉的装置。但是，本发明也可以用于燃烧器不是CFB，或者甚至不是流化床的情况，只要存在含碱的底部灰来源，并可用于在位于燃烧器下游的SDA中捕获硫。还应注意，通过不仅减少SO2，而且减少如SO3和H2SO4的其他硫化合物，也能进行硫捕获。SDA中的碱还能捕获非含硫的有害化合物，如氯化氢(HCl)。因此，在SDA中注入底部灰改进了对多种污染物的控制。
根据本发明，利用底部灰还有另外的益处。例如，通过减少燃烧器灰中未被利用的碱量，在采用填埋处置时，可降低这些灰被浸提出来的可能性。通过将两种主要的排放灰物流合并成一股物流，即飞灰，还可以简化工厂的灰处置系统，因此，不再需要储存和处置底部灰的设备。
因此，本发明的一个方面是降低气体中酸化合物浓度的系统。该系统包括反应器，该反应器能至少产生包含至少一种酸化合物的气体以及含碱的底部灰，该底部灰独立于气体地排出。提供喷雾干燥器吸收器用于接受该气体。提供将底部灰引入反应器下游的气体中的装置，以使喷雾干燥器吸收器中的碱能用于与至少一种酸化合物反应，以及提供将增湿剂引入喷雾干燥器吸收器中的装置，以促进碱与至少一种酸化合物反应，来降低气体中酸化合物的浓度。
因此，本发明提供一种改进的设备设置和操作喷雾干燥器吸收器的方法，该吸收剂用于从循环流化床(CFB)锅炉产生的燃烧废气中去除酸性化合物。所述增湿剂包括水和含碱浆液中的至少一种。可以在喷雾干燥器吸收器的上游将底部灰引入气体中和/或在喷雾干燥器吸收器中将底部灰引入气体内。能通过本发明的系统除去的各种酸气体化合物包括：二氧化硫、三氧化硫、盐酸、硫酸、氢氟酸或它们的混合物。底部灰的来源可以是从反应器排出的灰，或从用于该反应器的多段固体收集系统的至少一段排出的灰。
在所附权利要求书中具体指出了表征本发明的新颖性的各种特征，所述权利要求书形成本说明书的一部分。为了更好理解本发明，对本发明的操作益处以及使用本发明能实现的具体益处可参见附图和说明内容，在附图和说明内容中说明了本发明的优选实施方式。
附图说明
唯一的附图是本发明的优选实施方式应用于具有循环流化床锅炉的装置的示意图。
具体实施方式
本发明总体涉及一种循环流化床(CFB)锅炉或反应器装置，该装置产生酸气体，并利用下游的喷雾干燥器吸收器(SDA)来降低气体中至少一种酸化合物的浓度。虽然本发明特别涉及使用CFB锅炉或反应器作为产生热的装置的锅炉或蒸汽发生器，但是，应理解，本发明能容易地用于不同类型的CFB反应器。例如，本发明可应用于除燃烧过程外的化学反应的反应器，或向其提供来自别处进行的燃烧过程的气体/固体混合物以供进行进一步的处理的反应器，或只提供封闭体的反应器，其中，颗粒或固体被夹带在未必是燃烧过程的副产物的气体中。
典型的燃烧过程产生废气，所述废气包含至少一种酸化合物，以及如NOx、SOx和灰颗粒的其他污染物。为说明本发明的内容，用飞灰来表示被废气夹带或传送到SDA的灰，用底部灰来表示在系统中SDA上游的任何位置从废气中除去的灰。
参见唯一的图，CFB锅炉5具有炉或反应器10，通常由流体冷却的封闭体壁限定，所述封闭体壁具有膜状管壁结构。反应器10具有下部12，上部14和炉出口16。按照规定计量的方式，采用本领域技术人员已知的任何常用装置，先下部12提供如煤的含碳燃料，以及吸附剂，如石灰石，如在18所示。向下部12提供用于流化的初始空气A。需要时，床排放口D从下部12除去底灰90和其他碎片，过度燃烧空气供应口20提供燃烧所需的空气的平衡。
通过CFB燃烧过程产生的废气/固体混合物22含有至少一种酸化合物，该混合物从反应器10的下部12流动至其上部14，将其中的一部分热量传递至流体冷却的封闭体壁，产生蒸汽。在炉的出口16提供有颗粒收集器24的第一段，并优选包括U-束流冲击型(U-beam impact type)颗粒分离器。该U-束流收集在废气/固体混合物22中夹带的一部分颗粒，使这些颗粒自由下落至反应器10的下部12。
通过第一段颗粒收集器24除去一部分颗粒后的废气/固体混合物22穿过热交换表面26(如过热器和/或再热器表面)，并继续通过CFB锅炉5和颗粒收集器的第二段，此时第二段为多级旋风分离粉尘收集器形式或MDC 30。废气/固体混合物22继续从CFB锅炉5通过，通过其他传热设备，如省热器和/或空气加热器40，这些设备进一步从废气/固体混合物22提取热量，然后，该混合物至一个或多个喷雾干燥器吸收器或SDA50，以从废气/固体混合物22除去酸化合物。将如水和/或含碱浆液的增湿剂55注入SDA50，以促进SDA中的碱与废气22中的至少一种酸化合物反应，降低废气22中的该酸化合物的浓度。然后，将废气22传送至为集尘袋(织物过滤器)或静电集尘器(ESP)形式的最后的颗粒收集装置60。然后，将基本上洁净的废气65通过烟囱(未示出)排放到大气。
如本领域技术人员所理解的，附图中的系统可包括各种其他元件和/或系统，如选择性催化还原系统67等。存在于气体22中的至少一种酸化合物可包括以下化合物中的一种或多种：二氧化硫、三氧化硫、盐酸、硫酸、氢氟酸或它们的混合物。
再次参见附图，需要时，流化床的排放口D从下部除去底部灰和其它碎片。如上所示，来自CFB锅炉5的底部灰90可包含显著量的未被利用的碱。通常，底部灰90被排出或送去进行处理。但是，根据本发明，将这种来自反应器的含碱底部灰90循环到一个或多个SDA 50，以更完全利用存在与底部灰90中的未被利用的试剂，和/或减少在SDA50和/或锅炉5中使用的试剂量。
可以在反应器10的下游位置，通过管线140将底部灰90返回到废气22中，使底部灰90中的碱在SDA 50中被利用，用于与气体中的至少一种酸化合物反应。将底部灰90返回的一个位置可以是在SDA50的上游。替代该上游位置的另一个位置或除该上游位置外的另一个位置可以是在SDA 50内，如附图中145所示。
如果已知底部灰90中的某些粒度部分，如较大粒度部分中能用于硫捕获的碱含量很低或不含这些碱，该部分灰可以通过筛分丢弃。为进一步提高底部灰中碱的利用效率，在将该灰注入之前可以进行研磨。因此，设备70可以是筛，轧碎机或者它们的组合。研磨提高了底部灰90的反应表面积，同时机械破碎了颗粒周围的硫酸盐壳。这两种措施都提高了碱与气体22中二氧化硫或其它酸化合物的反应速率，因此提高了SDA中的硫捕获。为了降低研磨底部灰90的能耗，只将一部分灰，即最粗的灰份进行研磨。如果对底部灰90进行研磨，研磨后的底部灰沿虚线150示出的路径传送，同时不合适的灰在155排出。
该图还说明本发明的其他方面，这些方面涉及利用灰中的碱，所述的灰是通过上述多段固体收集系统收集的灰；即通过U-束流24和MDC 30从废气/固体颗粒收集和去除的灰颗粒，以及通过在空气加热器40下方的漏斗收集的灰颗粒。具体地，由MDC30收集的灰100通常是通过管线80返回到反应器10的下部12，该灰100或者可以通过管线160再引入废气22中。类似地，收集在位于空气加热器40下方的漏斗105中的灰110通常被丢弃，这些灰110或者可以通过管线170再引入废气22中。如底部灰90的情况，灰100和110还可以引入SDA 50的上游或SDA 50内。
在这些实施方式的任一实施方式中，优选不对底部灰进行湿润，以防止接合或聚集，发生接合或聚集都极可能阻碍将底部灰传送到其预定的目的地。因此，优选风动或机械的传送装置，有关这类系统设计的详细内容为本领域技术人员已知。
虽然具体参见本文详述的一些实施方式详细描述了本发明，其他的实施方可以达到同样的结果。例如，本发明可应用于涉及SDA的新的结构，或对现有SDA的修改、替换和更改或改型。本发明的各种变动和修改对本领域技术人员而言是显而易见的，本发明旨在覆盖权利要求书中的所有被权利要求书范围覆盖的这类修改和等同物。

Claims (10)

1.一种用于降低气体中酸气体浓度和/或降低酸气体吸附剂消耗，同时没有增加生成的NOx的系统，该系统由以下设备组成：
反应器，至少产生包含至少一种酸化合物的气体和含碱的底部灰，所述底部灰独立于气体地排出；
喷雾干燥器吸收器，用于接收所述气体；
用于将所述底部灰引入所述反应器下游的气体中的装置，使得所述碱用于所述喷雾干燥器吸收器中，以与所述至少一种酸化合物反应；和
用于将增湿剂引入所述喷雾干燥器吸收器的装置，以促进所述碱与所述至少一种酸化合物反应，以降低其在所述气体中的浓度，
其中，所述底部灰是不湿润的，以防止接合或聚集。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述气体包括来自燃烧过程的废气。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述燃烧过程在流化床锅炉中进行。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述燃烧过程在循环流化床锅炉中进行。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述增湿剂包括水和含碱浆液中的至少一种。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，将所述底部灰引入所述喷雾干燥器吸收器上游的气体中。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，将所述底部灰引入所述喷雾干燥器吸收器内的气体中。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一种酸化合物包括以下化合物中的至少一种：二氧化硫、三氧化硫、盐酸、硫酸、氢氟酸或它们的混合物。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述底部灰从所述反应器的下部排放。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述反应器上提供有多段固体收集，所述底部灰从至少一个段排出。
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