CN1061916A - 含粉尘燃烧废气的脱硫方法和装置 - Google Patents

Abstract

将含有二氧化硫及飞灰的煤粉燃烧废气干燥完 全脱硫的方法和装置。该方法通过快速加热、将飞灰 加热到一个较高的，但低于飞灰内部温度的温度，并 将所述废气冷却至在水露点之上小于25℃的温度范 围内，因此将二氧化硫与灰烬束缚在一起使得上述废 气脱去二氧化硫。

Description

本发明涉及从含有二氧化硫及粉尘的燃烧废气中完全干燥脱硫的一种方法及完成该方法的装置。

本方法特别是涉及从煤燃烧时的燃烧废气中完全干燥脱硫，尤其是褐煤的燃烧及其燃烧废气飞灰中的完全干燥脱硫。

本方法还涉及从另一些物质的含二氧化硫的废气中脱硫，不是飞灰的粉尘与这些物质混合在一起，这种粉尘具有可比较的，在下面将要说明的一些特性。

干燥脱硫是上述废气在驱动后续装置部件（除尘、烟囱）而不会出现冷凝的一种露点温度间隔内进行脱硫过程。

对于完全脱硫，至今已知的只是湿法，在湿法脱硫过程中，造成一些在接触中带有所吸收液体的废气，例如带有苛性钾的溶液的废气。其缺点是，所述燃烧废气完全或近似湿饱和地离开该道工序，由此会导致在后续装置部件中产生结渣和腐蚀。于是，人们尝试通过再次加热所述废气来对付上述的结渣和腐蚀。

同样，已知的干燥脱硫方法是，往燃烧室中吹入例如CaCO₃，此CaCO₃在约900℃时分解为CaO，然后，CaO部分地与SO₂及SO₃反应。采用这种方法，脱硫床可以达到约80%以上，但没有完全脱硫。

脱硫方法还需达到这样一个目标，即，将与飞灰一起的废气和/或添加的吸收剂冷却至在所述燃烧废气露点附近时不渗透，或者通过增加水或水蒸气来相应提高所述的露点，例如德国专利DE3240373或DE333298中所述的那样。由于人们事先往所述废气中添加了另外的受到冷却的飞灰和/或吸收剂，这将需要在烟气冷却的最后部分对烟气继续进行冷却。在这种情况下，力求使上述冷却达到在所述露点上面少于5℃之内，因为只有以这种方式才能达到脱硫度达90%及90%以上。

本发明方法所述的那种脱硫至今是未知的。

德国杂志ZKG 1990年3月，第139-143页中描述了一种进一步干燥处理的脱硫方法。其中，使上述含二氧化硫的废气通过一个由氢氧化钙（Ca（OH）₂）及水泥粗粉末组成的沸腾层传送，该沸腾层直接在水露点附近被启动，尤其在65℃的启动温度，水露点在58℃至61℃之间。不考虑这种方法在仪器上的耗费以及能量和吸收剂的消耗，这种脱硫方法只是适用于二氧化硫含量在423毫克/米³以下的中等含量的脱硫能行。还存在的缺点是所述水露点引起的燃烧结渣，以及剩留的二氧化硫对后续装置部件的腐蚀。可以采用进一步减小露点的范围，如该范围在上述情况下其最少值为65℃-61℃＝4℃，有可能使脱硫效果有些改进，然而，却会带来关于烧结物及腐蚀的大量增加的问题。因此，用这种方法也是不可能进行一种完全且干燥的脱硫。

然而，采用本发明方法，可用一种简便的方式来实现完全和干燥的脱硫，对此下面将用实例来说明从莱茵河地区的褐煤粉的燃烧废气中的脱硫。

由文献资料可知，上述燃烧物质的灰烬最多含30～50的含Ca及Mg的化合物，这些化合物在燃烧中进一步被锻烧为CaO及MgO，并以前面所述的方式束缚SO₂及SO₃。通常，采用这一步已经使脱硫度可达到20～50%。用来作比较的一些褐煤来自蕯克森、匈牙利以及一些欧洲以外的国家。本发明的方法对于这些褐煤特别易于实施。下面以上述莱茵河地区褐煤燃烧的例子来说明该方法。

燃烧褐煤粉，使得它的加热速度超过3000℃/sec的临界值，而褐煤粉尘达到至少900℃的温度，最好达到1200℃。因此，在此燃烧过程中，所形成的灰烬粒子的所有成分均经受了一种强烈的表面活化，该活化根据加热速度的情况不同至多有10秒长的时间，然后慢慢衰减。所述的加热速度越快，相应的表面活化作用就越强。最佳的加热速度值是5000℃/sec。当上述灰烬粒子温度超过1200℃时，那么它们具备了对SO₂的最大加热速度，然而此时它们还没有热到使得Fe₂O₃或上述灰烬的杂质熔化。对此在显微镜下观察上述灰烬部分可以容易地辨认出所述的Fe₂O₃及杂质的存在。

然后，将上述燃烧废气，例如置在一个容器中从已知的方法予以冷却。通常，这时需考虑到排尘设备，给水温度及烟囱的情况，使燃烧废气的温度为130℃-150℃。

按本发明，然后继续冷却烟气，直至落在下面所确定的水露点的一个温度范围内，该温度范围取决于上述废气及包含在其中的飞灰粉粉尘在高于该水露点温度25℃的一个温度保持多长时间。对于在这个温度范围内停留0.8-1.0秒的停留时间，所述废气必须被冷却为高于上述露点25℃之内。利用在这个温度范围内的较短停留时间，以及所须的露点范围下降，所述烟气必须在此露点范围内被冷却。对于在这个温度范围停留0.05-0.10秒的时间，则上述废气必须被冷却至高于所述露点11℃的一个温度，而且可以从上述两种情况的中间值可以线性地推出。

在露点，未超过35℃-40℃的一个温度范围时，就开始快速束缚SO₂，此时可能已有的SO₃已被吸收并不再起作用。对于未超过10℃-25℃的一个温度范围，根据在前述温度范围内所停留时间，SO₂被定量束缚。由此达到完全脱硫。

从业已燃烧灰烬的外表可辨认出开始束缚硫。对于莱茵河地区的褐煤粉尘的燃烧灰烬从普通黄色到赭色，并具有褐色色调进入时的各种变化。一旦开始出现束缚硫，所述灰烬就变绿了。当人们对这样运转的锅炉或一个被后接在锅炉后面的废气冷却器进行检验时，可在所有的表面经常发现一层薄粉尘沉积层。只要这沉积层还是黄色、赭色或褐色，那么还没有出现初始的束缚硫。因此，可以通过用第一次出绿色灰烬来辨别初始束缚SO₂的出现。

在SO₂的一部分被化学束缚的同时，上述灰烬的绿色还表明束缚了铁。然而，若将这样的灰烬在一封闭的容器内存放一小时，再打开该容器，就能嗅到一种明显的，淡淡的SO₂典型的刺鼻气味。显然，此时已附带发生了一种纯粹的物理表面吸收，这种物理表面吸收可能会随时间而稍许衰减。在将上述灰烬加热到250℃-300℃时，在所述灰烬与周围空气一起消耗氧气的情况下进行着一种放热反应。然而，该灰烬再次获得它自己的，众所周知的黄-褚-褐色的变化，此时还可感觉到一种淡淡的SO₂气味。

上述停留时间的效应表明了，在束缚SO₂时，上述灰烬的细微部分是特别起作用的，该停留时间越长，更多的上述灰烬部分能反应更多的量。

本发明方法也能用于其它含SO₂的燃烧废气的脱去，这些废气 可以是不含任何可与上述那些莱茵河地区褐煤粉尘相比较的固体部分，这样一些固体细粒在燃烧时能加进所述的那些固体部分，在这过程中本发明的表面活化条件必须得到满足。

原则上，可以利用现有技术中的装置来实现本方法，只要这些装置能满足本方法的条件，下面将以一个例子说明一种装置，以及采用该装置能更好地满足本发明的些些条件。

图1是本方法的示意图。燃烧用的空气1如同由输运空气传输的煤粉尘2一样，用已知的方法被输入燃烧器3，点燃锅炉4，在锅炉4后接用于筛选粗颗粒的气旋分离器5，后接冷却器6，该冷却器带有用于通过冷却剂的出入口。

本发明用已知的方法如下述那样来调整该冷却剂，即，使得传热面的接触气体的那面的表面具有一位于露点及能使SO₂被吸收的温度间的一个温度。尤其是，将冷却器6做成管式冷却器，在此冷却器中，所述气体通过管子流动，管外用水将这些管子保持在所希望的温度。冷却器6用已知方法使其后接一个精细除尘装置7，例如一个纤维过滤器。被除尘的废气通过废气管道8离开精细除尘装置7。

每次分离出的灰烬量经过排出装置9a和9b离开上述装置。

冷却器6的通过废气那部分的管状体积、在冷却器6及精细除尘装置7之间的连接管道10以及后者的粉尘气体那部分的体积，确定了上述废气的停留时间。该废气在出现吸收SO₂的温度范围内带有最少的上述灰烬的精细部分。该停留时间以已知方法由废气流的体积及前述的体积来确定。

将所有与废气及灰烬接触的表面保持在该废气露点上的某个温度是符合已有技术的。

使用旋风除尘器5对于本方法来说并不是直接重要的，只是为了不从煤粉尘中筛出可能还要燃烧的颗粒，这种颗粒还是能用的。然而，旋风除尘器的截止功率是按它的设计，即，使得在它的出口还有一定量的细灰烬来限定的。所谓一定量的细灰烬的定义为，在不超过这个量而在其它方面保持给定的所有本方法的条件时，不再完全吸收SO₂。

本方法的重点在于，在燃烧前及燃烧时，使得煤粉粒子获得一个充分的加速度，从有关的燃烧技术教科书已给出了获得所希望的加热速度或停留时间的规定。然而大多数教科书的内容不是关于停留时间的，而是关于燃烧室负载的，但该燃烧室负载以已知方式反比于该停留时间。高效率燃烧与其燃烧室常结合在一起被称为高效燃烧装置，只要这种装置能达到上述煤粉燃烧的实际要求。

图2所描述的就是这样的燃烧器，其中，燃烧空气1以及由载运空气的输送煤粉尘2被送入燃烧器3。燃烧空气1的流体在收集处12收集，然后被旋转地送到径向叶片格栅13。利用这一点，燃烧空气1进入辐射状的燃烧隔焰炉17，该炉17紧接着过渡到一个水冷部分18。在这一部分加进了一个火焰加速喷口19。在所述的燃烧隔焰炉中采用了一个煤粉尘喷枪20，喷枪20的一端带有一个转向盖21。

对于3.9MW的炉膛功率，根据本发明，采用了如下的图2所示的那些尺寸：

D₁＝338mmΦ

D₂＝700mmΦ

D₃＝350mmΦ

L₁＝197mm

L₂＝1470mm

L₃＝850mm。

叶片格栅13最好呈一种对数螺线状，该对数螺线状对于切线方向构成6°-12°的螺旋角，最好是8°-10°。

在选择这些尺寸时，使图2所针对的流体出现在上述燃烧隔焰炉中，在图中只画出了各种成分的通过量。借助于周围成分，将这些成分量如此迭加，以致在外部周围相对于外形轮廓线产生一个大约为45°的流体角。

在选择上述那些尺寸时，需要得到下面两组结果：

a）火焰稳定性

流体由孔径D₁到孔径D₂靠边壁流动有一定的通过量，其中约一半的流量径向向内返回，并沿着煤粉喷枪20通过孔径D₁的横截面返回到导流叶片13的区域。由此，该导流体再径向向外反转，与新鲜空气通量一起通向孔径D₂。在所述通过流体与返回流体之间，产生了一个具有很强湍流的区域，致使火焰自身稳定。

将煤粉尘2与选取的恒定的转送空气一起输入，并在偏转盖21的辅助下被吹入回流流体。

在所包围的火焰的辐射下，上述煤粉中的挥发性成分得到蒸发，而且与燃烧空气1一起形成气体型的火焰，此火焰与火焰辐射22中的剩余煤粉一起烧尽。在所说明的条件下，该速度达到了约100m/Sec，这一点对于保持后续燃烧室的清洁是十分重要的。

b）辐射

所给出的那些尺寸及工作参数清楚地告知废气的放出是在TA-空气的极限值以下进行。

图3表示一个对于本发明方法特别适用的锅炉，该锅炉在以前是作为热水锅炉来予以描述的。

锅炉体30其直径D₄，长度L₄，它包括一个直径D₅的烟管31，以及用于返回冷水的进口32和用于被加热的预运转水的出口33和34。用这种方法使图2所示的燃烧隔焰炉中的水的冷却得到保障。上述这些被安排在烟管31的正面的上部区域，并且使火焰辐射向下倾斜地吹到烟管的另一端，在那里的下部区域，把进口36安排在第一管道通气孔37中。

在燃烧室下面至少安排一个喷吹口35，通过该喷吹口35能将燃烧空气通过量的15%吹入烟道，以便维持燃烧和吹除灰烬沉积。如果煤粉尘中的杂质被导入到烟管中的沉积层，则可将喷吹口35与用于提供压缩空气或蒸气的送风装置结合在一起去除它。

采用前述措施，可以使上述烟管成功地经常保持清洁，这对于本发明方法来说是有益的。这里以这种方法来支配所控制的温度关系，因为烟道中的灰烬的沉积或炉渣将妨碍热转移，并改变所述的温度。

在烟管，煤粉尘的燃烧向内延伸进入每个单独的管道通气管37，最好对该管道通气管的每个单独的通气管设置一些喷吹口38，通过这些喷吹口38，可使燃烧室气量的15%的空气束39被吹进管道通气管的那些管道中。该空气束的导入同样要考虑到第一个管道通气管37中的进口区域的清洁保持情况。

对于给定的相应于3.9MW炉膛功率的，约3.5MW的锅炉功率，最好给第一管道通气管37安排25个直径为88.9×5mm的管道。为了在往下调整功率时也避免在第一管道通气管37的各管道中有灰烬沉积，需要使管内气流有足够的速度。另外，如果管内气流速度没有足够的高，以致于在所述锅炉的上部负荷区域由于上述那些管道中的气体质量与烟管31的气体体积弹性的相互作用，将会产生一些动力学效应。当在第一管道通气管的各个管道中的，上述废气的足够输送速度不超过规定值时，会在这些管道中形成一些灰烬沉积层，这些稀薄的灰烬沉积层会在管道中移动，而且在每次到达管端时，会导致一种压力冲击。由此，妨碍了准确调整燃烧室气量。

通过上述选择第一个管道通气管37中的那些管道的参数，可将上述的废气限制冷却在约500℃。由此，这些废气在此管道的通气管中还有足够的流动的燃烧反应时间及温度值，以使燃烧反应进行到底。于是，所产生的一些灰烬特性对本发明方法来说是有利的。

在前面提到的转向室40中，上述被冷却到约500℃的废气被导入第二个管道通气管的诸个管道41中，在这些管道41中，根据该锅炉的下部区域中的锅炉负荷及水温，可使废气冷却到110℃-150℃。

考虑到上述那些条件，即一方面是灰烬的输运，另一方面要避免动力学效应。那么，如果规定在第二个管道通气管设置288个直径为30×5mm的管道，这对本发明方法是有利的。

从那些管道41出来的受到冷却的废气被引向一废气管道42。最好将废气管道42垂直于锅炉灰烬流向安排，在此上述废气将被切向输送给该管道。用这种设置的方法，就能达到在废气管道42的整个长度范围内没有一个地方形成涡流区域，这些涡流区域的出现可能会造成灰烬的沉积。

图3所示的整个装置带有燃烧器、烟管、各个管道通气管及废气管。该装置能自己清洁，并在运行过程中保持十分干净。废气的全部灰烬处于能除尽的状况，并且装置具有再现运行的性能。这一点对本发明方法来说是有益的。

具有同样功率，而且实际上具有同样效率的图3所示的装置，对于其它粉尘形状的燃烧物质的燃烧，如：煤石、木粉末等物质的燃烧，也是适用的。同样，对于液态及气态燃烧物质的燃烧也是合适的。

对于将本发明方法用于例如液态的燃烧物质废气的脱硫，可用已知的方法将吸收剂加入燃烧器隔焰炉内，例如将石灰石粉末吹入到燃烧器隔焰炉，而且它的量及其浓缩提炼的要求可遵照已知的有关技术规定进行。

图3所示的装置，特别是燃烧器隔焰炉和烟管的一个值得注意的性质是那里的流体状况不依赖于第一种燃料中流体流动的雷诺数。这意味着，在变换成另外的炉膛功率时，用隔焰炉及烟管的尺寸与功率比的方根一起进行换算。同时要考虑到图2所示的燃烧器系统无功率上限，该事实是由燃烧物质各自的浓缩提炼所需反应的程度来给出。增加功率，由此能以已知方法选择更高的燃烧速度，因此在变换成更高的功率时，该装置将相应地比由用功率比的方根的换算规则算出来的稍微小一点。这种考虑是与已有技术相符的。

第一个管道通气管37及第二个管道通气管41他们工作在这样的雷诺数范围内，在此范围内温度减少基本上只是受各个管道的长度对内径的比值起作用。在变换成另外的功率时，如人们想获得同样的锅炉出口温度，可用已知的方法将所述管道横截面的总和换算成功率比，同时管道长度对内径的比值的总和保持为恒量。借此，根据空气动力学原则可明确地确定各管道通气管的管道尺寸及空间分布。这里对进一步的设计资料并不是必须的。

图3所示的装置应该同时还要达到TA-空气的另外的极限值，特别是关于NO_X及CO的极限值。此时，烟管31的直径D₅及其长度L₅最好选择下述值。

D₅＝1400mmΦ，L₅＝3850mm

然后，由此得出锅炉30的直径D₄＝2600mmΦ，其长度L₄＝4100mm。

Claims (19)

1、从煤粉及其它的含有灰烬的燃烧物质及含二氧化碳和飞灰的燃烧废气中完全干燥脱硫的方法，其特征在于采用下述方法步骤：　　a)通过给燃烧中的含上述灰烬的煤粉加热来激活所述飞灰，加热速度大于3000℃/sec，最好大于5000℃/sec，一直加热到高于900℃，最好高于1200℃，然而要低于在火焰内停留时所出现的灰烬内部温度；　                                          　b)将所述废气冷却至水露点上的一个温度范围，该温度范围的最大允许值取决于从开始冷却到上述灰烬的细灰尘部分的分离，所述废气停留时间有多长，最大允许温度范围为多少，如下所述，对于停留时间0.8秒，最大允许温度范围为25℃；对于停留时间为0.1秒，最大允许温度范围为11℃，对于上述两者之间的停留时间，可以线性内推其最大允许温度范围。

2、从一些燃烧物质的含二氧化硫的燃烧废气中完全干燥脱硫的方法，这些燃烧物质不含任何灰烬或它的灰烬量对本发明方法来说是不够的，其特征在于，将合适的吸收剂，例如石灰石粉末以细磨碎的形式吹入火焰内，以致，

a )通过给燃烧的物质内部加热来激活燃烧中的这些粒子，加热速度高于3000℃/sec，最好高于5000℃/sec，一直加热到高于900℃的某个温度，最好高于1200℃的某个温度，然后要低于在上述火焰中的停留时间内所出现的所述吸收剂或灰烬烧结的温度。

 b)将上述废气冷却至在水露点上的一个温度范围，所述的温度范围取决于上述废气从后续的冷却到粉尘的最精细部分的分离这一段停留时间有多长，即，

对于0.8秒的停留时间，最大允许温度范围为25℃，

对于0.1秒的停留时间，最大允许温度范围为11℃，

对于上述两个停留时间之间所停留时间，可以通过线性内推其最大允许温度范围。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为不超过所必须的允许温度范围，将上述废气通过与冷表面接触来冷却，直至冷却到上述燃烧及大气湿度所给出的水露点温度。

4、如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过增加水或水蒸汽来提高上述燃烧废气的露点。

5、如前述权利要求之一所的方法，其特征在于，随后在一燃烧隔焰炉内进行燃烧，以及对由此引起的燃烧灰烬粒子或所加入的吸收剂进行加热，该燃烧隔焰炉点燃吸热室，例如点燃一个锅炉的辐射室。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，使上述燃烧废气流过燃烧室及一个锅炉的各通风管，同时进行冷却。

7、如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，上述锅炉或另外被点燃的装置后接一个冷却器，由它将上述废气至少冷却到所述在水露点上的温度范围。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，应使所述冷却器运转，使它的吸热面的烟气所流过那面的温度位于所流过的废气的水露点之上。

9、实施上述方法的装置，其特征是，一个带有闭合收缩火焰加速喷口的燃烧隔焰炉，对于3.9MW的炉膛功率，采用下述尺寸：

D₁＝338mmΦ，L₁＝197mm，

D₂＝700mmΦ，L₄＝1470mm

D₃＝350mmΦ，

这里，辐射导向叶片的直径为D₁，这些辐射导向叶片使得所述燃烧空气相对切线方向构成6°-12°之间的某个螺旋角，最好是在8°-10°之间，导向叶片最好按一种对数螺旋线来形成。

10、实施上述方法的装置，其特征在于，对于所给出的3.9MW炉膛功率，上述燃烧器后接一个下述尺寸的烟管：

D₅＝1400mmΦ，L₅＝3850mm。

或后接一个具有同样射流直径的矩形燃烧室。

11、如权利要求9和/或10所述的装置，其特征在于，对于变换为其它炉膛功率不是3.9MW的装置，其尺寸可以利用炉膛功率比例的方根进行换算，并保持所述空气导向叶片的角度为恒定值。

12、如前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，上述燃烧器下面，在所述烟管旁至少有一个开口，此开口的放气横截面的限定是，使得通过此开口能吹入所述烟管直至15%的上述燃烧空气，由此维持燃烧，以及能吹出所沉积的灰烬粒子。

13、如前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，在上述燃烧器的下面，在所述烟管的前壁上安置一个开口，通过此开口能将蒸汽或压缩空气以连续或脉冲方式输入，以去除上述烟管下部区域中的沉积。

14、如权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述废气从烟管的诸口传送到上述燃烧器对面一端。

15、如权利要求14所述的装置，其特征在于，上述废气从烟管的诸出口形成为所述烟管下部区域中的那些开口，该烟管与后接的第一管道通气管的那些管道连接在一起。

16、如前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，给上述第一管道通气管的那些管道安置一些吹入开口，这些开口的横截面的限定是，使得通过这些开口能将直至15%的燃烧空气吹入所述第一管道通气管的那些管道。

17、如前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，对于3.9MW的炉膛功率，所述第一管道通气管由25个尺寸为88.5mm的管道组成。

18、如前述权利要求之一所述的装置，其特征在于，具有一组第二管道通气管，它由288个尺寸为30×5mm的管道组成。

19、对于不是3.9MW的炉膛功率，前述权利要求所述的一种装置，其特征在于，其第一和第二管道通气管尺寸可按其管道横截面积的总和正比于所述炉膛功率来进行换算，为维持锅炉出口处的废气温度，可保持管道长度与内部净直径的总和为恒定值。

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