CN1055874C - 碳质燃料的脱硫 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及碳质燃料的脱硫方法。该方法包括在燃烧室的第一阶段氧化单元内，于亚化学计量空气条件下燃烧煤碳，以减少来自燃料中的氮产生的NOX，从而减少氧化氮的产生。在第一阶段氧化单元内加入水合石灰Ca(OH)2，以产生硫化钙。硫化钙可以留在熔渣低共熔体中，该共熔体在位于加热炉进口处的第二阶段氧化单元前除去，在该进口处向燃气中加入另外的预热过的空气。

Description

碳质燃料的脱硫
本发明涉及碳质燃料的脱硫方法。具体而言，本发明涉及的是在燃烧过程中，使用碱性吸着剂脱硫，并降低来自煤燃烧过程的氧化氮和尘粒发射的改进方法。
美国专利第4,395,975号和4,423,702号均描述了用煤的部分氧化所产生的碱性熔渣吸收硫，并进而减少来自煤燃烧过程的氧化氮和尘粒产生的方法。这些方法均达到了它们各自的预期目的，但并不能完全除去硫及氧化氮。
为目前燃烧煤的公用事业和工业提供投资小和生产费用低的净化方法的研究一直未曾停滞。能达到这些目标的改进方法一直是急需的。
本发明是一种更为经济的方法，使用煤燃烧室来减少氧化氮(NOx)，并进而在燃烧室除硫及熔渣，从而减少进入燃煤加热炉的污染物。
碱性化合物，例如石灰石、石灰、水合石灰、白云石、二碳酸氢三钠、天然小苏达、碳酸钾，或它们的组合物，可以与原料燃煤一起或分别加入到燃烧室的第一阶段的氧化单元中。
对硫的高水平的捕获是在煤的部分氧化所产生的碱性熔渣中达到的，这要借助于加入保证所有从氧化介质(空气、氧气或它们的组合物)中产生的氧都在进入到碱性熔渣硫吸收区之前被完全消耗的设计的燃烧室来实现。
氧化氮的减少，是通过在第一阶段以低于化学计量的空气条件下燃烧煤，而减少从燃料中释放所结合的NOx而达到的。在进入第二燃烧阶段之前，进行少量的内部冷却，以降低第二阶段的燃烧温度，进而减少热NOx产生。
在位于加热炉进口处的第二氧化阶段单元，加热的燃烧空气与来自第一阶段的燃料气进行慢慢地混合。这一缓慢的混合，并结合对加热炉中火焰辐射的冷却，适宜地降低了局部氧化区的温度，减少了热氧化氮的产生。因为热氧化氮的产生是随着火焰温度的降低而减少。
本领域的普通技术人员，参照以下的发明详述及附图，可以很好地理解本发明。
附图简述
图1是本发明燃煤脱硫方法的流程图。
图2是用于最初燃煤脱硫的燃烧设备示意图。
图3是在本发明的方法中对煤中脱硫使用水合石灰及按先有技术使用石灰所增加能力的图示比较。
图4是燃烧设备内的煤主级(Coal-Primary)空气喷嘴的图示。
图5是第一燃烧阶段中所发生的重要热化学反应中的自由能的形成与温度的关系图。
在全部以下的详述中，引述附图中的相同数字都代表同一部件。
为达到高效除硫，燃烧室的设计必须能保证1)部分氧化的气体在进入碱性熔渣-燃气脱离区之前在该温度有一适当的停留时间，2)燃料与空气的紧密混合必须不形成局部的未反应的氧化阱。如果这二个目标能达到，硫就可被碱所吸收，正如以下反应式所示：
             
            (CaO以低共熔态与其它渣化合物共熔)
如果氧气在部分氧化的气体离开碱性熔渣-燃气分离区之前没有被完全消耗，则任何已被碱所吸收到的硫都会以双原子S2的形式释放出来在这一阶段S2生成主要是按下列反应进行：
             
            (CaO以低共熔态与其它渣化合物共熔)
熔融碱在还原反应条件捕捉硫，但是，当在煤燃烧区还原燃气时，如果有局部氧气阱与碱性硫化物发生紧密接触，则硫就会以双原子硫的形式从碱中释放。参见图5中这些反应的自由能的形成。这些反应中的自由能的负性越大，则该反应越易发生。
使用反应性更强的碱，例如，氢氧化钙(水合石灰)，硫的吸收速率就会比使用碳酸钙(石灰石)快。参见图3。从设计的观点看，这就意味还原条件下的停留时间是一个重要的设计参数。另一个重要参数是设计燃料/空气的喷嘴。该喷嘴的设计必须能够保证燃料与空气的紧密接触，同时又要使在碱性熔渣捕硫区的接触点所产生的还原气中不产生氧气阱。考虑到这些重要参数的燃烧室的设计将在以下讨论。
在示于附图1的实例中，燃烧室10处于加热炉14的入口12之前。煤粉由开口16进入燃烧室。煤粉箱18通过传送带20将煤送往粉碎器22。来自鼓风机24的空气与煤在文丘里喷射器23中混合并被喷送到固体混合气相混合。其它可用的碱有石灰、石灰石、白云石、天然小苏打、碳酸钾和二碳酸氢三钠。煤粉和水合石灰在混合30处充分混合后被送到燃烧室10的入口16。在燃烧室10的煤的受控部分氧化，是由对鼓风机76所鼓送的并经空气预热器40预热的热空气流67的调节而进行的。
水合石灰亦可由燃烧室10的位置56单独加入。另一种选择是将蒸汽流68喷入到燃烧室10中以用于加强硫的吸收。蒸汽的加入量是按蒸汽对燃料的重量比0.1-0.3。
部分燃烧的产物，煤灰部分的熔渣以及无机碱化合物都在旋风分离室60处处理。低共熔的熔渣34含有硫化钙和其它由煤灰中与碱性化合物反应所生成的碱性硫化物都由燃烧室10底部出口36排出。熔渣在水淬灭冲洗系统42处进行淬灭，而灰分则冲洗到沉淀池。
燃烧室10的燃烧区或第一氧化阶段单元48的周围有一水夹套38。在单元48处，喷气流在温度为约2200至2600°F时混合，使煤的部分氧化气体与水合石灰及煤灰紧密接触。热的气态产物由燃烧室10的出口12排入到锅炉14。水夹套38设计为夹套形式或水壁管结构，它对气体进行轻微的冷却，因而当其与次级空气44发生燃烧时，火焰的温度以降低，进而降低热氧化氮(NOx)的产生。来自鼓风机76的次级空气44，经过空气预热器40后由入口12进入加热炉，以使燃气与热空气缓慢混合。进入加热炉入口12的预热过的空气量要使总空气对燃料的化学计量比在1.05至1.25。缓慢的混合产生较少的局部热区，而这些局部热区会使加热炉14排放的氧化氮(NOx)量增高。通过使用燃烧室10，能使煤的部分氧化所产生的大部分(75-80％)熔渣在进入加的热炉14之前，同时也在位于入口12处发生的第二阶段燃烧之前就从气体中除去。
来自燃烧室的烟气上升并经过加热炉14的辐射区，再经蒸汽过热器70和71，通过节能器72和空气加热器40而进入除尘器74，例如除尘袋或静电除尘器。在加热炉内形成的所有氧化的碱性硫化物都会由除尘器的排放流75中去掉。除尘器74中的烟气由引风机78引出并排放到烟囱80。
如图2所示，燃烧室10具有气化区54，水合石灰喷入孔56，气体-熔渣混合区58，以及熔渣分离区60。燃烧室中排出的熔渣经水淬灭/冲洗系统42淬灭后被冲洗走。燃烧室内的第一阶段氧化单元48在内部衬有耐火材料46，外面包有水夹套38或水壁管，以使外层金属壁保持冷却。
来自空气介质燃烧分级燃烧室的氧气，用适宜的燃料/空气喷嘴以完全消耗掉所需的停留时间为0.05～0.4秒，优选0.1至0.25秒。这就要求燃烧室的部分氧化区具有足够的体积，从而使在进入气体/熔渣混合区前，所需的停留时间就得到满足。
图4中所示的煤/主级空气喷嘴，是要设计成在碳质燃料的部分氧化时没有空气漩涡。如果有空气漩涡产生，则由煤的部分氧化所产生的还原气中就很容易有局部氧气阱生成。
经预热的主级空气67，在有或没有蒸汽68加入空气的条件下，进入燃烧室10的预热空气区50，并被导向具有30度角锥筒66的外向环隙，并使空气67进入同心的燃煤流64。送煤管16在其出口52处有一个30度角锥体65。该送煤管的垂直位置由顶端导向装置82及紧束设置84控制，以使流经环隙的空气速率用改变供煤/预热空气的流动速率而保持固定。在第一阶段氧化单元48处的空气对燃料的化学计量比为0.55至0.8，优选0.6至0.7。
送煤管16的出口喷嘴可以设计为有或没有内部漩涡叶轮，但在外向环隙空气入口处则没有漩涡叶轮。送煤管16的会聚锥体65与迫使空气67进入燃料流的外向环隙空气管离垂直方向有15至60度的角，优选的约25～45度。煤的部分氧化是发生在位于煤/空气喷嘴出口52处的有水夹套38和耐火衬46的燃烧室10中。
结合使用水合石灰作为碱的本发明的方法对使用石灰石之间的区别和重大改进示于表3中。
以下的实施例给出了使用水合石灰所得到的改善结果。
                                             实施例1        实施例2
煤：投料速率，磅/小时                          834           856
    投料速率，MM Btu/小时*                    10.4          10.8
    硫(投入)，重量％                           2.47          2.69
碱：
    类型                                       CaCO3        Ca(OH)2
    投料速率，磅/小时                          64            47
    Ca/S摩尔比                                 0.97          1.1
空气：
    第一阶段化学计量，体积％                   66.5          62.8
    第一加第二阶段化学计量，
    体积％                                     120.8         118.0
蒸汽：
    蒸汽(磅)/煤(磅)                            0～0.25       0.25
    燃烧：
碳转换，重量％                           96.9          96.8尘粒：
第一阶段去除，重量％                     37.4          22.6
旋风去除，重量％                         34.3          23.6
烟气中的残留，重量％                     28.3          53.8硫的吸收：
熔渣，重量％                             1.34          2.61
旋风尘粒，重量％                         15.13         11.15
微尘粒**，重量％                        14.53         30.94
总计，重量％                             31.00         44.70第一阶段燃气***：
H2S ppmv                                750～1700     0
SO2 ppmv                                1000～1500    0
CS2 ppmv                                16            0
NOx                                     100～700      100
NH3 ppmv                                 0第二阶段，NOx为NO2：
Lb/MMBtu                                  0.34          0.36* 以干煤计** 按差异计*** 用Draeger管测量

Claims (20)

1.一种改进的碳质燃料脱硫方法，其特征在于该方法包括以下述步骤：
(a)将含硫的碳质燃料加入到具有水夹套和第一阶段氧化单元的燃烧室中，燃料温度为2200-2600°F(1204.44℃-1426.67℃)，空气对燃料的化学计量比为0.55-0.80，
(b)将碱加入到该第一阶段氧化单元中，
(c)将预热过的空气经过锥形喷嘴送入到燃料进管底端与碳质燃料混合，并使在第一阶段氧化单元内的预热过的空气不产生漩涡，
(d)在第一阶段氧化单元内保留所获的燃气熔渣混合物以保证将空气完全消耗，
(e)让熔渣依靠重力从具有内密封腔的燃烧室下降到其下方的水淬灭系统中，使含有碱性硫化物的熔渣固化而防止水解并防止将硫从其碱性物中释放出来，并同时让燃气离开所述的密封腔，以及
(f)将所获燃气与另外的预热过的空气加入到位于锅炉的加热炉入口处的第二阶段氧化单元。
2.根据权利要求1所述的改进方法，其中所述的加入到第一阶段氧化单元的碱可以选自石灰、水合石灰、石灰石、白云石、天然小苏达、碳酸钾和二碳酸氢三钠。
3.根据权利要求2所述的改进方法，其中所述的碱是水合石灰。
4.根据权利要求1所述的改进方法，其中所述碳质燃料与碱在被加入到第一阶段氧化单元之前进行混合。
5.根据权利要求1所述的改进方法，其中所述的碳质燃料和碱被分别加入到第一阶段氧化单元内。
6.根据权利要求1所述的改进方法，其中在第一阶段氧化单元内的空气对燃料的化学计量比为0.55至0.8。
7.根据权利要求6所述的改进方法，其中所述的空气对燃料的化学计量比为0.6至0.7。
8.根据权利要求1所述的改进方法，其中所述所对预热空气进行导向的锥形喷嘴包括有会聚锥筒，它连接到燃料管的末端并离垂直方向有15至60度的角。
9.根据权利要求8所述的改进方法，其中所述的连接到燃料管末端的锥微离垂直方向具有25度至45度角。
10.根据权利要求1所述的改进方法，其中所述的蒸汽与预热过的空气一起进入第一阶段氧化单元。
11.根据权利要求10所述的改进方法，其中所述的蒸汽的加入是按蒸汽对燃料的重量比0.1至0.3。
12.根据权利要求1所述的改进方法，其中所述的燃气同熔渣混合物在第一阶段氧化单元内的停留时间为0.05至0.4秒。
13.根据权利要求1所述的改进方法，其中所述的加入到加热炉内另外的预热过的空气的化学计量比为1.05至1.25。
14.根据权利要求1所述的改进方法，其中所述的碳质燃料是含硫煤。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述的碱为水合石灰。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述的煤和碱是被分别加入到第一阶段氧化单元内。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述的煤和碱是混合共同加入到第一阶段氧化单元内。
18.根据权利要求14所述的方法，其中在第一阶段氧化单元内的空气与燃料的化学计量比为055至08。
19.根据权利要求14所述的方法，其中所述的会聚锥微按离垂直方向15度至60度的方式连接到进煤管的末端，预热过的空气在通过锥筒后与煤相混合。
20.根据权利要求19所述的方法，其中蒸汽在与煤接触之前先与空气混合。所述的成形步骤是用固体浓度为0.1％至0.2％的配料进行的。
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