CN105268380A - 喷雾干燥器吸收器和相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及喷雾干燥器吸收器和相关方法。提供了一种用于减小喷雾干燥器吸收器中发生胶接可能性的系统，以及一种操作具有喷雾干燥器吸收器的系统以降低在该喷雾干燥器吸收器中发生胶接的可能性的方法。一种用于降低气体中至少一种酸化合物浓度的喷雾干燥器吸收器(SDA)系统使用了不含碱或碱含量低的颗粒混合物来防止操作期间发生的胶接。所述不含碱或碱含量低混合物可以从外部来源和/或从位于SDA下游的颗粒收集设备提供。

Description

喷雾干燥器吸收器和相关方法
本发明专利申请是申请日为2008年9月12日，申请号为200810213897.0，发明名称为“喷雾干燥器吸收器和相关方法”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从燃烧矿物燃料时产生的气体中除去污染物的环境污染控制设备领域，更具体地，涉及用于从上述气体除去酸气体混合物的喷雾干燥器吸收器。所述气体是通过工业过程以及产生发电用蒸汽的燃烧过程中产生的。
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/或不希望的化学混合物。
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STEAMitsgenerationanduse,第41版,Kitto和Stultz著,版权所有2005,鲍勃科克和威尔考克斯公司(TheBabcock&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(集尘袋)来收集试剂、飞灰和反应产物。集尘袋s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(approachtemperature)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(approachtemperature)。对低水分的烟煤，废气的饱和温度通常在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(peddlelime)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(detentionslaker)。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。
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的废气中。
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(induceddraftfan)，向上通过堆叠(passingupthestack)。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最小。
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去除SO2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。在任一情况，一个或多个SDA应对石灰浆液和/或水(喷射用于对灰颗粒润湿)的液滴提供足够的停留时间，以能完全干燥。不能完全干燥将导致胶接的灰生长沉积在一个或多个SDA的壁上，使它们不能操作。试剂分配部件可能发生故障，如喷嘴堵塞，这可能会导致试剂液滴急剧增大。这种情况下，即使是大型SDA也不能实现完全干燥。因此，降低这种SDA的长期可靠性。
因此，本领域需要能提高SDA操作可靠性、同时减小其尺寸的设备和/或方法。
发明内容
如下面详细描述的，本发明中，向一个或多个SDA提供不含碱或碱含量低的颗粒物质，以提高SDA的可靠性和/或紧密性。
本发明总体涉及在一种或多种酸气体的来源下游使用喷雾干燥器吸收器。在一个实施方式中，本发明涉及改进的喷雾干燥器吸收器，该喷雾干燥器吸收器可以与一种或多种酸气体的来源如循环流化床(CFB)锅炉组合使用。
一个实施方式中，本发明涉及用于降低喷雾干燥器吸收器中胶接可能性的系统。该系统包括至少一种气体如包含至少一种酸化合物的至少一种气体的至少一个来源，至少一种气体中酸化合物的浓度必须降低。还提供至少一种喷雾干燥器吸收器，该喷雾干燥器吸收器使用至少一种含碱试剂，用于和至少一种酸化合物反应。此外，提供至少一种用于将至少一种颗粒混合物与至少一种含碱试剂组合引入至少一种气体的装置，其中至少一种颗粒混合物不含碱或碱含量很低。
在另一个实施方式中，本发明涉及操作具有喷雾干燥器吸收器的系统，来降低喷雾干燥器吸收器中胶接的可能性的方法，该方法包括以下步骤：(A)自至少一个来源提供至少一种气流，其中，所述至少一种气流含有至少一种酸化合物，该酸化合物的含量必须降低；(B)提供喷雾干燥器吸收器，该喷雾干燥器吸收器设计用来接受自至少一个气源的至少一种气流，喷雾干燥器吸收器中使用至少一种含碱试剂，用于和所述至少一种酸化合物反应；(C)提供至少一种用于将至少一种颗粒混合物引入至少一种气流的装置，以降低操作期间喷雾干燥器吸收器中发生胶接的可能性，其中，至少一种颗粒混合物不含碱或碱含量很低。
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，并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。
附图简述
图1是本发明系统在将含碱试剂从气流之外的来源(如含碱试剂是石灰浆液)注入该气流中时的简化示意图；和
图2是本发明系统在将含碱试剂从与气流相同的来源(如含碱试剂是来自燃烧器的飞灰石灰)注入时的简化示意图。
具体实施方式
参见附图，设计相同的附图标记来表示附图中的相同元件或功能类似的元件，参见图1，本发明涉及一种用来降低气体中所含酸化合物的浓度的喷雾干燥器吸收器(SDA)法以及设备。SDA提供在气体来源的下游。
在如图1所示的一个实施方式中，该系统包括含至少一种酸化合物的气体的来源1，所述酸化合物在该气体中的浓度必须降低；SDA2；颗粒收集设备3，如织物过滤器(集尘袋(baghouse))或静电集尘器(ESP)，以及烟囱4。气体来源1可以是化学反应器，燃烧器，锅炉等。来自气体来源1的气流5从SDA2、颗粒收集设备3通过，至烟囱4，从烟囱释放到大气。将来自外部源的含碱试剂6a，如石灰浆液在SDA2中注入气流5中，该浆液与气流5中的至少一种酸化合物反应。将不含碱或碱含量低的颗粒混合物，如来自另一个燃烧器的飞灰或砂通过注射装置注入气流5中，可以提供位于一个或多个位置的注射装置。第一位置7a可以在SDA2的上游。第二位置7b可以直接提供在SDA2中，可以同时注射含碱试剂6a。第三位置7c可以直接提供在SDA2中，但是在注射含碱试剂6a位置的下游。应理解，在实施本发明时，可以采用注射不含碱或碱含量低的颗粒混合物的装置的多个位置7a、7b或7c的任意组合。
收集在颗粒收集设备3中的颗粒物包含飞灰、未反应的石灰和反应产物，将一部分颗粒物在水化器9中与水10混合，将未反应的石灰再次活化，并与含碱试剂6a一起通过管线8返回SDA2。如果收集在颗粒收集设备3的物质的碱含量足够低，在湿润时不会引起胶接，则可以将该物质通过管线11循环，并通过注射装置位置7a、7b和7c的任意组合，单独注入气流5中，或与不含碱或碱含量低的颗粒混合物组合注入。该物质可以不经处理、以原样沿循环路径11从颗粒收集设备3进行循环。将不含碱或碱含量低的颗粒混合物循环以及注入的目的是使用这些颗粒来稀释含碱试剂，以降低其胶接的可能性。这种方式提高了SDA的可靠性和/或能够减小其尺寸。
在如图2所示的另一个实施方式中，系统包括含至少一种酸化合物的气体的来源1，所述酸化合物在该气体中的浓度必须降低；喷雾干燥器吸收器(SDA)2；颗粒收集设备3以及烟囱4。气体来源1也可以是化学反应器，燃烧器，锅炉等。来自气体来源1的气流5从SDA2、颗粒收集设备3通过，至烟囱4，从烟囱释放到大气。含碱试剂6b来自与气流5相同的来源；如可以是来自燃烧器的含碱飞灰(这可能是以下情况，即燃烧低硫含量和/或高碱含量的燃料，如一些类型的煤和油页岩的情况。能在SDA中用作减少废气中酸化合物的试剂的颗粒灰的另一个例子是来自流化床锅炉，特别是循环流化床(CFB)锅炉的灰。这种类型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)。将水10喷入在SDA2中的气流5中，使含碱飞灰再活化，然后与气流5中的至少一种酸化合物反应。
将不含碱或碱含量低的颗粒混合物，如来自另一个燃烧器的飞灰通过注射装置7a、7b或7c或它们的任意组合注入气流5，所述注射装置7a在SDA2上游，7b在SDA2中，可以与水10同时注入，或7c在SDA2中的在注射水10位置的下游。收集在颗粒收集设备3中的飞灰的一部分在水合器9中与水10混合，使灰中未反应石灰再活化，并通过管线8返回SDA2，以和水10一起引入SDA。如果收集在颗粒收集设备3的物质的碱含量足够低，在湿润时不会引起胶接，则可以将该物质通过管线11循环，并通过注射装置位置7a、7b和7c的任意组合，单独注入气流5中，或与不含碱或碱含量低的颗粒混合物组合注入。该物质可以不经处理、以原样沿循环路径11从颗粒收集设备3进行循环。将不含碱或碱含量低的颗粒混合物循环以及注入的目的是使用这些颗粒来稀释含碱试剂，以降低其胶接的可能性。这种方式提高了SDA的可靠性和/或能够减小其尺寸。
如上所示，在将含碱试剂6a或水10注入SDA2的一个或多个位点(图1和图2中7a)的上游注入至少一种不含碱或碱含量低的颗粒混合物。上述位点是用来注入不含碱或碱含量低的颗粒混合物的优选位置，因为在该位置注入的改进混合物与试剂的混合，因此降低SDA2中发生胶接的可能性。但是，如果因为设备限制的要求，则可以在将含碱试剂6a或水10注入SDA2的一个或多个位置同时注入颗粒混合物(装置7b)，或在这些位置(装置7c)的下游注入。
本发明的另一个方面涉及操作具有喷雾干燥器吸收器的系统的方法，该方法包括以下步骤：(A)自至少一个来源提供至少一种气流，其中，至少一种气流含有至少一种酸化合物，该酸化合物的含量必须降低；(B)提供喷雾干燥器吸收器，该喷雾干燥器吸收器设计用来接受自至少一个气源的至少一种气流，喷雾干燥器吸收器中使用至少一种含碱试剂，用于和至少一种酸化合物反应；(C)提供至少一种用于将至少一种颗粒混合物引入至少一种气流的装置，其中，至少一种颗粒混合物不含碱或碱含量很低；和(D)提供至少一个颗粒收集设备，在至少一种气流离开该系统之前从中收集颗粒物。
总体上，酸化合物可以是SO2和其他硫化合物，如SO3和H2SO4，以及非硫化合物，如氯化氢(HCl)。含碱试剂可以是钙基、钠基等。
除了降低成本的益处之外，减小喷雾干燥器吸收器(SDA)的尺寸也使将SDA用于空间受到限制的应用成为可能，在空间受到限制的应用中，很难或不可能使用大型设备。例如，在对现有装置进行改型时减小尺寸可能是有益的。
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 (14)

1.一种用于减小喷雾干燥器吸收器中发生胶接可能性的系统，该系统包括：
至少一种气体如包含至少一种酸化合物的至少一种气体的至少一个来源，所述至少一种气体中酸化合物的浓度必须降低；
至少一种喷雾干燥器吸收器，用于接受所述至少一种气体，并使用至少一种含碱试剂，以用于与所述至少一种酸化合物反应；
一个颗粒收集设备，它位于所述至少一种喷雾干燥器吸收器的下游，其中，离开所述颗粒收集设备的流包含气流，原样颗粒循环路径，以及结合水合器的再次活化颗粒路径，用以再次活化收集在颗粒收集设备中的试剂；以及
至少一种用于将颗粒混合物与至少一种含碱试剂组合注射入所述至少一种气体中的装置，其中，所述颗粒混合物不含得自所述原样颗粒循环路径的碱颗粒或碱颗粒含量很低，并且其碱含量低至不足以导致在操作过程中在喷雾干燥器吸收器中发生胶接，
其中，所述至少一种用于将颗粒混合物注射入所述至少一种气体中的装置中的一种独立地位于所述至少一种喷雾干燥器吸收器中，使得与独立地注射的至少一种含碱试剂的组合形成在所述至少一种喷雾干燥器吸收器内；
其中，所述不含碱或碱含量很低的颗粒混合物是直接循环自位于所述喷雾干燥器吸收器的下游的颗粒收集设备的飞灰。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述至少一种气体包括来自燃烧过程的气体。
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内进行。
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内进行。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述含碱试剂包括来自再活化颗粒路径和新鲜试剂的再活化的试剂的混合物。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述颗粒混合物包含新鲜的不含碱或碱含量很低的颗粒与在注入所述至少一种喷雾干燥器吸收器之前得自所述原样颗粒循环路径的颗粒物质的混合物。
7.一种操作具有喷雾干燥器吸收器的系统以降低在该喷雾干燥器吸收器中发生胶接的可能性的方法，该方法包括以下步骤：
(A)自至少一个来源提供至少一种气流，其中，所述至少一种气流含有至少一种酸化合物，该酸化合物的含量必须降低；
(B)提供喷雾干燥器吸收器，该喷雾干燥器吸收器设计用来接受自所述至少一个气源的至少一种气流，所述喷雾干燥器吸收器中使用至少一种含碱试剂，用于与至少一种酸化合物反应；
(C)提供一个颗粒收集设备，它位于所述至少一种喷雾干燥器吸收器的下游，其中，离开所述颗粒收集设备的流包含气流，原样颗粒循环路径，以及结合水合器的再次活化颗粒路径，用以再次活化收集在颗粒收集设备中的试剂；以及
(D)提供至少一种用于将颗粒混合物注射入所述至少一种气流中的装置，其中，所述颗粒混合物不含得自所述原样颗粒循环路径的碱颗粒或碱颗粒含量很低，并且其碱含量低至不足以导致在操作过程中在喷雾干燥器吸收器中发生胶接；
其中，所述至少一种用于将颗粒混合物注射入所述至少一种气体中的装置中的一种独立地位于所述至少一种喷雾干燥器吸收器中，使得与独立地注射的至少一种含碱试剂的组合形成在所述至少一种喷雾干燥器吸收器内；
其中，所述不含碱或碱含量很低的颗粒混合物是直接循环自位于所述喷雾干燥器吸收器的下游的颗粒收集设备的飞灰。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(D)在所述至少一种含碱试剂与所述至少一种酸化合物反应之前进行。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(D)在所述至少一种含碱试剂与所述至少一种酸化合物反应的同时进行。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(D)在所述至少一种含碱试剂与所述至少一种酸化合物反应之后进行。
11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述至少一种气流包括来自燃烧过程的气体。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述燃烧过程在流化床锅炉中进行。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述燃烧过程在循环流化床锅炉中进行。
14.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述含碱试剂包括石灰浆液、飞灰或它们的混合物。
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