CN106257140B - 烟气处理装置和方法以及火炉导管 - Google Patents

烟气处理装置和方法以及火炉导管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种将降低烟气污染物的粉末状化合物注入火炉导管(500)的装置(10)、火炉导管、以及通过烟气污染物的降低粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法。该装置(10)包括腔室(230)和粉末输送导管(120)，腔室(230)连接到外围导管(220)上并通过所述外围导管(220)连接到所述火炉导管上，外围导管(220)包括直径为DP1的第一部件(221)和直径为DP2的第二部件(222)，第二部件(222)包括下游端部(222a)且与火炉导管连通，粉末输送导管具有直径DT和下游端部(121)，其特征在于，外围导管的第二部件的长度L大于或等于外围导管的第一部件的直径(DP2)，并且在于，直径(DT)和直径(DP2)之间的关系为0<DP2‑DT<1/2DT。

Description

烟气处理装置和方法以及火炉导管
技术领域
本发明涉及一种通过粉末状化合物对火炉导管中的燃烧烟的处理方法，该方法也被称为烟气的处理方法，还涉及一种用于实现该方法的装置。
对于火炉导管，根据本发明，已知加力燃烧区域(也被称为锅炉)，和/或烟气经过的全部导管或全部装置，这些导管或装置位于加力燃烧区域下游并且位于所述烟气的排气烟道上游。
本发明的方法和装置可用于对由液体或固体等传统燃料或者替代物的燃烧所释放的烟进行处理。这些燃烧或热处理在诸如锅炉、火炉、焚烧炉(但不限于此)之类的包围区内进行，这些包围区在下文中无差异地被称为火炉。
背景技术
该燃烧产生高温烟，该高温烟通常通过烟道排放到大气中。除飞灰之外，烟通常还包括诸如HCl、HF、SO2、SO3等酸性气体以及其他诸如Hg等重金属和/或呋喃之类的污染物。这些气体对于环境和健康是有害的，并且希望能够在将烟排放到大气中之前消除这些气体。
为此，被称为降低(abattement)的已知方法在于在火炉导管中将粉末状反应物注入到烟中间。该化合物尤其包括诸如粉末状石灰水合物之类的钙镁化合物，或者诸如活性炭或例如褐焦炭之类的含碳化合物。已知被称为熟石灰的粉末状石灰水合物，全部固体颗粒主要由氢氧化钙Ca(OH)2组成。还可以使用诸如碳酸钠或碳酸氢钠这样的含钠化合物之类的其他的矿物化合物，或者这些化合物还可以用于降低二恶英、呋喃和/或例如为汞的重金属，这些重金属基于页硅酸盐，诸如海泡石或埃洛石或类似物。
然而，这样的降低方法对输送流量、粉末状化合物到火炉导管中的注入流量以及径向扩散流量造成了大量的约束，而这些约束很难得到调和。
首先，将粉末(粉末状化合物)注入火炉导管的流量应当以超过所述火炉导管中的烟的流量，并且这避免了在一些情况下由于气体过大的压强作用使得粉末在烟中扩散不良而吸附到火炉导管的壁上。该烟的速率达到大于30m/s，甚至大于50m/s。
其次，将粉末输送到火炉导管中的注入点处应当以大约15m/s至20m/s的速率来进行，更高的速率则有可能导致粉末在输送导管中出现摩擦/磨耗和/或阻塞现象，最后的阻塞现象还可能在粉末基于熟石灰的情况下导致粉末被碳酸化。
最后，粉末应当均匀扩散到火炉导管的全部区域中，以使得能够均匀有效地降低气态污染物。该扩散尤其取决于火炉导管的尺寸以及气体流过的流量。然而，这样的导管在其中心通常具有“中心管(veine)”，即烟气的速率最大的区域，这损害了粉末在火炉导管中的均匀分布。为了解决该扩散问题，在实际中使用“穿透喷嘴”，即穿透到火炉导管内部并因此完全充满烟的金属管道。
不管怎样，这些“穿透喷嘴”还具有诸多缺陷。
首先，穿透喷嘴很难承受其在火炉导管中所暴露于的温度和酸性条件，并且具有非常有限的使用时长，当穿透喷嘴承受高温时该使用时长特别小于一个月。因此，需要频繁地对穿透喷嘴进行更换，这不但导致运行成本无法忽略，而且要求数天内偶尔停止火炉。在每次停止火炉以更换穿透喷嘴之后再开始燃烧存在问题，从此时起火炉想要达到燃烧中的平衡既不快速也不容易。
这些“穿透喷嘴”还受到由粉末状化合物的特性及其聚集能力所引起的阻塞的约束。
由此，尽管使得粉末能够在火炉导管中良好扩散，这些“穿透喷嘴”在实现中依然存在诸多问题，尤其是在维护、兼容性方面，其与所想要的应用的兼容性较差，因为这些“穿透喷嘴”并不能使得达到火炉的最优运行。
文献US 2013/0125749描绘了一种通过使用具有吸收能力的输送喷管和外围空气注入喷管来降低火炉导管中的酸性气体和重金属的装置和方法，这些喷管是同心的并且通至火炉导管的内表面。然而，该方法和装置存在缺陷。
首先，该装置和方法所适用的烟的温度为小于或等于454℃。该温度无法使得始终达到降低的最优条件。事实上，降低气态污染物的最优温度尤其取决于待降低的污染物的属性以及所使用的粉末状化合物的属性。例如，在粉末状化合物基于熟石灰的情况下，已经确认在850℃和1150℃之间的温度范围内尤其有利于粉末状熟石灰与气态SO2之间的反应。
此外，该文献提出采用非常大的将外围空气的流量直至6000m3/h，从而导致外围控制的质量流量相比于烟气的流量的比率介于3％和5％之间。这样的流量不可避免地对烟气的处理设备的正常运行产生干扰。
事实上，由于外围空气的流量相比于烟气的流量得到了如此提升，烟气中携带的空气数量不能忽略并且尤其将导致对该烟气进行非预期的冷却，由此降低了火炉的整体能量产率。这样的装置还将具有增大位于该装置下游的烟气的总流量和氧含量的效果，由此迫使操作人员改变对烟气进行处理的线路。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种通过用于降低污染物的粉末状化合物来处理烟的装置，从而弥补现有技术中的缺陷；该装置不具有前述缺陷，即该装置使得污染物的降低率得到提升，而无需凭借穿透装置且对干扰烟气的处理设备的整体运行达到最低。
针对该适应，提出了一种通过用于降低污染物的粉末状化合物来处理火炉导管中的烟气的装置和方法，该装置和方法使得能够适应于较大的操作条件范围，尤其是适应于待处理的烟气的温度、待降低的污染物的属性以及所使用的粉末状化合物的属性，而不需要明显改变待处理的烟的其他特性(尤其是烟的流量和温度)。
因此，根据第一目的，本发明涉及一种将降低烟气污染物的粉末状化合物注入火炉导管中的装置，所述装置包括：
-腔室，其连接到外围导管上并且设置用于连接到第一鼓风组件上且通过所述外围导管所述火炉导管上，所述第一鼓风组件设置用于将外围空气送入所述腔室和所述外围导管中，
-所述外围导管包括直径为DP1的第一部件和与所述第一部件相对的直径为DP2的第二部件，所述第一部件连接到所述腔室上，所述第二部件具有下游端部且与所述火炉导管连通；
-所述粉末状化合物的输送导管，其设置用于连接到第二鼓风组件上，所述第二鼓风组件设置用于在外围气体喷流的同时将输送气体吹入所述输送导管，所述输送导管具有直径DT和下游端部，
所述外围导管的所述第一部件被所述输送导管以纵向同心的方式贯穿，以使得所述输送导管的所述下游端部位于所述外围导管的所述第一部件和所述第二部件之间的相交平面内，
根据本发明的装置的特征在于，所外围导管的所述第二部件的长度L大于或等于所述外围导管的所述第二部件的直径(DP2)，并且在于，所述输送导管的直径(DT)和所述外围导管的所述第二部件的直径(DP2)具有如下关系：
0<DP2–DT<1/2DT。
根据本发明，输送气体和/或外围气体优选地彼此独立地为大气的环境空气。事实上，根据本发明，通过输送气体，已知全部气体、尤其是空气使得能够通过气动输送将输送导管中的粉末状化合物运输向火炉导管。
根据本发明，通过外围空气，已知外围导管中携带的全部气体、尤其是空气在输送导管的外围。
连接到外围导管上的腔室的存在，以及输送导管以密封方式横穿该外围导管使得能够形成同心的两个气体喷流；粉末状化合物的输送流和外围气体流。另外，外围导管的长度为L的第二部件的存在以及输送导管的直径(DT)与外围导管的第二部件的直径(DP2)的比例使得能够达到文氏管效应并使得装置出口处的气体喷流加速，从而改善了注入到火炉导管中的粉末状化合物的穿透性。以此方式，可以在不需要利用蔓延装置的情况下使粉末以最优方式分布在导管中，这与现有技术中的“穿透喷嘴”不同，并且完全减少了使得降低粉末状化合物良好地穿透到火炉导管中所需的外围气体的量，这与现有技术US 2013/0125749中的装置和方法不同。
外围气体的量的减少使得能够限制烟气的特性(尤其是烟气的温度\流量和氧含量)造成的干扰，这与文献US 2013/0125749中的装置不同，该装置要求外围空气的流量非常大。
因此，本发明使得能够同时对烟气中的卡路里的回收进行改善，由此外围气体的喷射的温度下降至比回收之前的烟气低得多。本发明使得还能够通过注入的粉末状化合物接近并维持降低污染物的有利的最优温度条件。
事实上，如之前所述，一定的具体温度范围使得能够有利于降低气态污染物的反应。该最优温度范围尤其取决于待降低的污染物的属性以及所利用的粉末状化合物的属性。鉴于所使用的外围空气的流量较小，本发明使得能够不大幅修改烟气的温度，尤其是在粉末转化合物的注入点处的温度，并因此保证维持反应的最优温度。
在本发明的具体实施例中，直径DP1大于或等于直径DP2。
在本发明的另一具体实施例中，直径DP1小于或等于直径DP2。
有利地，外围导管的第二部件的下游端部直接连接到火炉导管上。
在本发明的另一有利实施例中，外围导管还可以包括第三部件，第三部件包括配备有上游端部的上游部分和配备有下游端部下游部分，第三部件的直径DP3小于直径DP2，所述上游端部被设置用于连接到外围导管的第二部件的下游端部上，所述下游端部设置用于连接到火炉导管上。
该具体实施例使得能够实现第二文氏管效应，由此对装置出口处的喷流的加速现象进行进一步改善，并因此对粉末状化合物在火炉导管中的穿透进行改善。
有利地，外围导管的第三部件的所述上游部分呈截圆锥形。
根据优选实施例，所述粉末状化合物是化学式为aCaCO3·bMgCO3·xCaO·yMgO·zCa(OH)2·tMg(OH)2·uI的钙镁化合物，其中，I表示杂质，a、b、x、y、z、t和u为相对于所述钙镁化合物的总重量的质量分数并且其中每个介于0和100％之间且u≤5％，质量分数的总和a+b+x+y+z+t+u等于所述钙镁化合物的总重量的100％。
有利地，所述粉末状化合物是化学式为aCaCO3·bMgCO3·xCaO·yMgO·zCa(OH)2·tMg(OH)2·uI的钙镁化合物，其中，I表示杂质，a、b、x、y、z、t和u为相对于所述钙镁化合物的总重量的质量分数并且其中每个介于0和100％之间且u≤3％，优选地u≤2％，尤其u≤1％，质量分数的总和a+b+x+y+z+t+u等于所述钙镁化合物的总重量的100％。
根据该优选实施例，降低烟气的装置的性能依然针对高温污染物、尤其是SO2的降低进行了改善。事实上，钙镁化合物在烟气温度达到850℃至1150℃之间的范围内尤其有效，特别是当捕获类型为SOx的酸性污染物时，更加难以高效地进行捕获。与之相对，根据文献US 2013/0125749中的教导，由于粉末状化合物的接触处的最低温度(小于454℃)而使得无法总是达到该结果，在钙镁化合物为氢氧化钙的情况下该最低温度有利于石灰与CO2的反应。
在本发明的另一有利实施例中，粉末状化合物从以下中选择：以上限定的钙镁化合物、诸如活性炭或褐焦炭之类的含碳化合物、诸如碳酸钠或碳酸氢钠之类的钠矿物化合物、诸如海泡石或埃洛石之类的基于页硅酸盐的矿物化合物、及其混合物。
有利地，根据本发明的装置还包括：
-第一鼓风组件，其连接到腔室上并且设置用于将外围气体吹入所述腔室和外围导管，
-第二鼓风组件，其连接到输送导管上并且设置用于将输送气体吹入所述输送导管，
-粉末状化合物配量构件，其连接到粉末状化合物储存器中并在输送气体的流动方向上在所述第二鼓风组件下游连接到输送导管上，使得输送气体带走所配量的粉末状化合物。
有利地，根据本发明的装置中，所述第一鼓风组件和所第二鼓风组件包括流量调节构件，以使得第一鼓风组件和第二鼓风组件的流量分别可调节。
该特点为该装置的使用提供了很大的灵活性，从而使得该装置能够在很大范围内适应于烟的特点(温度、速率、污染物等等)、导管的直径、以及所使用的降低粉末状化合物。
有利地，降低粉末状化合物储存器是化学式为aCaCO3·bMgCO3·xCaO·yMgO·zCa(OH)2·tMg(OH)2·uI的钙镁化合物的储存器，其中，I表示杂质，a、b、x、y、z、t和u为相对于所述钙镁化合物的总重量的质量分数并且其中每个介于0和100％之间且u≤5％，质量分数的总和a+b+x+y+z+t+u等于所述钙镁化合物的总重量的100％。
有利地，降低粉末状化合物储存器是化学式为aCaCO3·bMgCO3·xCaO·yMgO·zCa(OH)2·tMg(OH)2·uI的钙镁化合物的储存器，其中，I表示杂质，a、b、x、y、z、t和u为相对于所述钙镁化合物的总重量的质量分数并且其中每个介于0和100％之间且u≤3％、优选地u≤2％、尤其u≤1％，质量分数的总和a+b+x+y+z+t+u等于所述钙镁化合物的总重量的100％。优选地，钙镁化合物至少包括熟石灰。
在本发明的另一有利实施例中，降低粉末状化合物储存器是从以下中选择的粉末状化合物的存储器：以上限定的钙镁化合物、诸如活性炭或褐焦炭之类的含碳化合物、诸如碳酸钠或碳酸氢钠之类的钠矿物化合物、诸如海泡石或埃洛石之类的基于页硅酸盐的矿物化合物、及其混合物。
实际上，多个诸如上文限定的注入粉末状化合物的装置可以用于形成注入粉末状化合物的系统。
根据本发明的装置的其他特点和优点如所附权利要求中所述。
根据第二目的，本发明涉及一种火炉导管，该火炉导管配备有至少一个上文中限定的注入降低粉末状化合物的装置。
根据本发明的火炉导管的其他特点和优点如所附权利要求中所述。
根据第三目的，本发明涉及通过降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，包括：
-注入质量流量QT的输送气体喷流，所述输送气体喷流被用于将所述降低粉末状化合物输送到所述烟中，该烟具有烟气流量QF，
-同时，在输送气体喷流外围注入气体喷流，从而形成质量流量QP的外围气体喷流。
-该方法的特征在于，所述外围气体的质量流量与所述烟气的质量流量相比形成的比率QP/QF介于0.05％和0.25％之间。
根据本发明的方法使得能够免于使用“穿透喷嘴”，即穿透到火炉导管内部并具有所列全部问题的金属管道。该方式使得能够达到粉末的注入输送约束并能够控制粉末的径向分布以达到火炉导管中的期望区域，而不需要使用诸如穿透喷嘴之类的蔓延装置。
另外，外围气体的流量与烟的质量流量之间的较小比例使得能够不明显改变火炉的烟气的特点(尤其是关于温度、流量和氧含量)，由此确保维持降低反应的最优温度，并且还完全避免降火炉的整体能量产率或干扰该烟气的处理设备的整体运行。
与之相对，文献US 2013/0125749教导了使用较大的净流量比，从而形成紊流以扩散(搅拌)粉末状化合物流并在气体携带流中且意外的在烟气流中形成粉末状化合物涡流。
在根据本发明的方法的优选实施例中，所述输送气体的速率为VT且所述外围气体的速率为VP，外围气体的速率VP介于输送气体的速率VT的2倍至20倍之间，即2VT≤VP≤20VT。
在根据被发明的具体实施例中，输送气体的质量流量QT加上外围气体的质量流量QP与烟气的质量流量QF之比形成的比例(QT+QP)/QF介于0.1％和0.5％之间。以此方式，输送气体的质量流量和外围气体的质量流量之和与烟气的质量流量之比介于0.1％和0.5％之间。
有利地，粉末状化合物以质量流量QA注入，输送气体的质量流量QT与粉末状化合物的质量流量QA相比形成的比率QT/QA介于5和10之间。以此方式，输送气体的质量流量与粉末状化合物的质量流量之比介于5和10之间。
在根据本发明的方法的一个优选实施例中，输送气体的喷流的注入和外围气体的喷流的注入在火炉导管的内表面处进行。
有利地，在根据本发明的方法中，待处理的烟的温度介于850℃和1150℃之间。
此外，在根据本发明的方法中，待处理的烟的速率介于2m/s和150m/s之间，优选地介于3m/s和50m/s之间，尤其介于5m/s和30m/s之间。
在优选实施例中，输送气体的喷流的注入和外围气体的喷流的注入彼此独立调节。
有利地，在根据本发明的方法中，输送气体和/或外围气体优选地彼此独立地为空气。
在诸如根据本发明的方法之类的降低污染物的方法中，烟气包括从下组中选择的污染物：酸性气体、重金属、呋喃、二恶英及其混合物，该酸性气体尤其是含硫和/或含卤素的酸性气体。
更具体地，在根据本发明的方法中，酸性气体包括从下组中选择的污染物：SO2、SO3、HCl、HF、HBr及其混合物。
根据本发明的方法中使用的降低粉末状化合物包括碳酸盐、从钙或镁中选择的碱土金属的氢氧化物和/或氧化物、或者二者的化合物。
优选地，降低粉末状化合物包括化学式为aCaCO3·bMgCO3·xCaO·yMgO·zCa(OH)2·tMg(OH)2·uI的钙镁化合物，其中，I表示杂质，a、b、x、y、z、t和u为相对于所述钙镁化合物的总重量的质量分数并且其中每个介于0和100％之间且u≤5％，质量分数的总和a+b+x+y+z+t+u等于所述钙镁化合物的总重量的100％。
有利地，所述粉末状化合物是化学式为aCaCO3·bMgCO3·xCaO·yMgO·zCa(OH)2·tMg(OH)2·uI的钙镁化合物，其中，I表示杂质，a、b、x、y、z、t和u为相对于所述钙镁化合物的总重量的质量分数并且其中每个介于0和100％之间且u≤3％，优选地u≤2％，尤其u≤1％，质量分数的总和a+b+x+y+z+t+u等于所述钙镁化合物的总重量的100％。
根据本发明的方法的优选实施例，粉末状化合物包括超过50％的重量、尤其超过90％的重量的氢氧化钙Ca(OH)2。
在本发明的另一有利实施例中，粉末状化合物还包括从下组中选择的化合物：诸如活性炭或褐焦炭之类的含碳化合物、诸如碳酸钠或碳酸氢钠之类的钠矿物化合物、诸如海泡石或埃洛石之类的基于页硅酸盐的矿物化合物、及其混合物。
根据本发明的方法的其他特点和优点如所附权利要求中所述。
附图说明
通过阅读以非限定方式并参照示例和附图给出的说明，本发明的其他特征、细节和优点将变得明显。
图1示出了使得能够实现根据本发明的方法的注入装置的一个实施例的原理图。
图1A示出了沿图1中的横截线A-A'的截面图。
图2示出了使得能够实现根据本发明的方法的注入装置的另一实施例的原理图。
图3示出了采用导引设备与采用现有技术中的金属穿透喷嘴或采用本发明的注入装置的实际工业试验之间的去硫化性能比较。
图4、5A和5B示出了采用根据本发明的装置及其对应方法(图4)与现有技术US2013/0125749的装置和方法(图5A和5B)相比，降低粉末状化合物在相同的火炉导管中的分布的CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)数字仿真结果。
具体实施方式
图1为根据本发明注入粉末状化合物的装置10的第一实施例的示例。火炉(未示出)产生包括气态污染物的烟，气态污染物由火炉导管500输送到烟道(未示出)，从而将气态污染物排放到大气中。
在运行中，根据本发明的注入装置产生两个气体流：
-输送气体流110，其由可调节流量鼓风机110产生(在所示示例中为横向鼓风机)；该输送气体流在连接到鼓风机上的输送导管120中流动；在该输送气体流的路径上存在粉末状化合物配量系统130，该粉末状化合物配量系统连接到粉末状化合物储存器(未示出)上以使得该输送气体流携带粉末状化合物；
-外围气体流210，其由可变流量鼓风机200产生；该外围气体流被递送到腔室230，随后在与该腔室相连的外围导管220中流动。
输送导管120密封地贯穿腔室230并且以与外围导管220同心方式处于外围导管220内部。输送导管120中断于上游端部121，该上游端部121位于外围导管220的第一部件221和第二部件222之间的相交平面内。
如图1A中从横截线A-A'处所示，轴向输送管道120与外围导管的第一部件221之间因此存在环形间隙170，外围气体流210在该环形间隙170中流动，输送气体流110在输送导管120中流动。因此，该装置因此在火炉导管中提供了两个气体喷流：携带粉末状化合物且轴向的输送气体喷流110以及围绕输送气体喷流的外围气体喷流210。
在图2所述的本发明的具体实施例中，外围导管220还包括第三部件(223)，第三部件(223)包括配备有上游端部(224a)的上游部分(224)和配备有下游端部(225a)下游部分(225)，第三部件(223)的直径DP3小于直径DP2，所述上游端部被设置用于连接到外围导管的第二部件的上游端部上，下游端部设置用于连接到火炉导管上。
有利地，外围导管的第三部件的所述上游部分(224)呈截圆锥形。
外围导管220在第三部件223处的直径缩减由于维持质量而引起第二文氏管效应，该第二文氏管效应使得能够使得输送气体流和外围气体流进行额外加速，并且因此额外改善了粉末状化合物在火炉导管中的穿透性。
通常，外围导管220以径向方式连接到火炉导管500上。当输送气体流110和外围气体流210穿透火炉导管500时，在输送气体流110外围的外围气体流210将该输送气体流110维持形状并进行引导，从而使得能够到达火炉导管500的中心管，而不需要穿透喷嘴。
另外，在鼓风机100和200的流量可分别调节的情况下，该装置使得能够适应于各种使用条件，尤其是烟速率、酸性气体浓度、导管的直径等等。
当然，本发明涵盖了所能得到的该装置的各种形式，在火炉导管中的入口处，携带降低的粉末状材料的输送气体喷流110以及外围气体喷流210。例如，在当前申请的图1和3中，外围导管220垂直连接到火炉导管500上，也就是说，两个导管的轴线之间的角度为90°。替代性地，该外围导管220最终能够连接到火炉导管500上并且两个导管的轴线之间的角度大于或小于90°。
数字仿真
为了证明根据本发明的装置和方法的效率，在考虑到各注入装置情况下对石灰在包含烟气的火炉导管中间的分布进行数字仿真。更准确地，将借助于根据本发明的装置及其方法获得的分布与借助于文献US 2013/0125749的装置和方法获得的分布进行可比拟的运行参数的比较(换言之，在确定了火炉导管的几何参数、经过火炉导管的烟气的组分和速率、石灰的输送导管的位置和截面、以及输送空气和石灰的流量，该流量根据石灰的捕获性能对比烟气中存在的污染物的量来进行理论计算)。
石灰在火炉导管中的分布通过利用分布因子Phi的CFD(Computational FluidDynamics，计算流体动力学)进行评估，分布因子Phi对应于当石灰被横向注入时在所述导管的给定位置处烟气中石灰的浓度。
该分布因子尤其取决于火炉导管的几何参数并被定义如下：
其中，
Vi对应于生石灰的体积；
Vtot对应于烟气中生石灰的体积与全部气体体积的总和。
在所进行的数字仿真中，所考虑的火炉导管采用反向U形(参见图4和5)并且纵长为4m的矩形截面。
为了能够将本发明的装置的效率与现有技术US 2013/0125749的装置的效率进行比较，首先应当确定最优分布因子Phiopt。该最优分布因子对应于烟气中所要达到的石灰浓度，从而使得该石灰以最优方式分布，以覆盖所考虑的导管的整个截面。
在此情况下，该最优分布因子在考虑到包括穿透喷嘴的装置的(由此不包含外围气体)情况下确定，该装置目前作为在粉末状化合物的分布方面最有效率的装置。喷嘴被介入到导管中1m的深度处。
在该配置中，并且对于所考虑的火炉导管，最优分布因子Phiopt的值约为7×10-3。事实上，对于Phi的该值，该火炉导管中石灰的分布是最优的并且采用横向屏的形式，从而在注入点上方50cm处覆盖反向U的一个支柱的完整截面。因此，这一情况(Phiopt＝7×10-3)被认为是所要达到的最优分配因子。
所讨论的装置为：
a)根据本发明的装置和方法。
b)根据文献US 2013/0125749的装置和方法。
在图4(本发明)和图5(现有技术US 2013/0125749)中示出了该仿真的结果。
如图4中所示，当根据本发明相对于烟气流量使用流量为0.1％至0.2％的外围气体流时，使得在注入点上方50cm处的横向平面内的分布因子等于最优分布因子(Phid＝7×10-3)。因此，本发明能够以与穿透喷嘴相同的穿透性来注入石灰而不需要蔓延装置。
相反，在使用根据专利申请US 2013/0125740的装置和方法时，通常生成相对于烟气具有极大流量的外围气体流(外围气体的流量为本发明的外围气体的流量的10倍)，这造成了很大的干扰并且该干扰在文献US 2013/0125740中另有研究。在此情况下，石灰均匀分布的区域非常小，从而为了在火炉导管中达到石灰的最优分配因子而要求在该现有技术中放置至少三个装置。
事实上，正如图5A中所示，石灰均匀分布的区域非常集中。在此情况下，单个喷嘴并不能使得在注入点上方50cm处的横向平面内达到Phi＝7×10-3。有效地，在该横向平面内，分配因子Phi的值为4×10-3(图5B)，这表示石灰的扩散效率比本申请弱1.75倍。
事实上，应当利用三个根据现有技术US 2013/0125740的装置以得到与仅使用单个根据现有技术的穿透喷嘴相同的分布。
示例
为了对根据本发明获得的扩散的效率进行评估，对根据文献WO2007000433中所述的方法在高温下采用熟石灰降低SO2进行了研究。
在介于850℃和1150℃之间的温度范围内，熟石灰通过以下化学式与再次SO2反应以形成硫酸钙：
Ca(OH)2→CaO+H2O
CaO+SO2+1/2O2→CaSO4
在该温度范围内，氢氧化钙与SO2之间的反应是选择性且快速的。
选择性是因为，除了SO2之外，烟中存在的其他化合物中任一个(诸如CO2)不具有在上述温度范围内稳定的反应产物。事实上，出于实验需要，即便氢氧化钙使得其他酸性气体能够降低，对于使用氢氧化钙来对SO2进行中和以能够对反应的产物CaSO4进行配量并达到所讨论的方法的效率、尤其是化学计量比RS并不关心。
快速是因为，熟石灰与SO2之间的反应的速率根据阿列纽斯定理(loi d'Arrhenius)随着温度指数增大。由此，在900℃下，酸性气体与熟石灰的接触之间可以小于0.5秒。
随后，在以下三个条件下获得的结果进行比较：
-比较示例1：可以类似于完美混合的情况的引导设备。
-比较示例2和3：具有借助于根据现有技术金属穿透喷嘴实现对熟石灰的注入的工业设备。
-示例：具有借助于本发明的装置实现对熟石灰的注入的工业设备。
针对使SO2降低70％来进行比较，这代表针对该类型方法的所研究的中等降低。
比较示例1：引导设备
引导设备使得能够在完美情况下根据化学计量比RS(氢氧化钙的摩尔数/入口处的SO2的摩尔数)来测量SO2转化的演进，完美情况即不存在粉末并且在整个反应区域上温度完美分布而没有无效或紊流区域。这样的引导设备还在文献WO2007000433中进行了描述。
引导设备中的烟气的参数如下：
总流量：2Nm3/h
温度：950℃
SO2含量：1500ppm
CO2含量：10％vol(气体体积百分比)
O2含量：6％vol
对于该引导设备，为了获得70％的SO2转化，所测得的化学计量比(RS)为1.5。因此，能够得出以下结论：在介于850℃和1150℃之间的温度下降低SO2的范围内，对70％的SO2的转化，完美混合物的RS接近1.5。
已经实现了采用金属穿透喷嘴的大量的工业试验，从而使得固态颗粒在烟流中的扩散的效率最大化。
以下所示的两个比较示例采用了到目前为止所获得的最大的转化率/RS。
比较示例2：采用金属穿透喷嘴的工业试验(根据现有技术)
与引导设备中使用的熟石灰相似的熟石灰通过金属穿透喷嘴以15m/s的速率被注入到加力燃烧室中，在加力燃烧室中，没有燃烧完的部分进行燃烧。
烟气的参数如下：
总流量：46750Nm3/h
平均温度：925℃
SO2平均含量：450ppm
CO2含量：15％vol
O2含量：10％vol
熟石灰在火炉导管中的逗留时间大约为1至1.5秒。在比较示例2的情况下，为了获得70％的SO2转化，所测得的化学计量比为2。
比较示例3：采用金属穿透喷嘴的工业试验(根据现有技术)
与引导设备中使用的熟石灰相似的熟石灰通过金属穿透喷嘴以15m/s的速率被注入到加力燃烧室中。
烟气的参数如下：
总流量：140000Nm3/h
平均温度：925℃
SO2平均含量：390ppm
CO2含量：15％vol
O2含量：8％vol
熟石灰在火炉导管中的逗留时间大约为1至1.5秒。在比较示例3的情况下，为了获得70％的SO2转化，所测得的化学计量比为2.3。
对于70％的SO2的转化，比较示例2和3的平均化学计量比为2.1。
示例：根据本发明的方法实现的工业试验
与引导设备中使用的熟石灰相似的熟石灰借助于本发明的装置被注入到加力燃烧室中。
烟气的参数如下：
总流量：82000Nm3/h
平均温度：900℃
SO2平均含量：395ppm
O2含量：17％vol
CO2含量：15％vol
注入装置的参数如下：
输送导管120的直径DT：88.9mm，
外围导管的第二部件222的直径DP2：107.1mm，
输送空气的速率VT：15m/s，
外围空气的速率VP：44m/s，
输送空气的流量：420Nm3/h，
外围空气的流量：290Nm3/h。
熟石灰在火炉导管中的逗留时间大约为0.1秒。
根据本发明的方法使得对于降低70％的SO2能够获得的化学计量比(RS)为1.6。
图3示出了针对引导设备(比较示例1)、借助于跟发明的装置(示例)、以及借助于现有技术中的金属穿透喷嘴(比较示例2和3的平均值)所获得的全部结果。
如图3中所示，根据本发明的方法获得的值接近于使用引导设备获得的值。
如上文所述，当固态颗粒的扩散效率提高时，现场测得的值接近于采用引导件获得的值。
该结果指出，与现有技术中的金属穿透喷嘴相比，根据本发明的装置和方法使得在相同的转化率下能够节约大约23％的粉末状熟石灰。
因此，与现有技术中使用金属穿透喷嘴相比，根据本发明的方法和装置固态颗粒在混合流体中的扩散的效率更高。另外，现有技术中使用的金属穿透喷嘴造成了粉末的输送、设备的安全性和灵活性方面的问题，这些问题同样由根据本发明的装置和方法解决。

Claims (27)

1.一种将降低烟气污染物的粉末状化合物注入火炉导管(500)中的装置(10)，所述装置包括：
-腔室(230)，其连接到外围导管(220)上并且被设置用于连接到第一鼓风组件(200)上且通过所述外围导管连接到所述火炉导管上，所述第一鼓风组件(200)被设置用于将外围气体 (210)送入所述腔室和所述外围导管中，
-所述外围导管(220)包括直径为DP1的第一部件(221)和与所述第一部件相反的直径为DP2的第二部件(222)，所述第一部件(221)连接到所述腔室上，所述第二部件(222)具有下游端部(222a)且与所述火炉导管连通；
-所述粉末状化合物的输送导管(120)，其被设置用于连接到第二鼓风组件(100)上，所述第二鼓风组件(100)被设置用于在外围气体喷流的同时将输送气体(110)吹入所述输送导管，所述输送导管具有直径DT以及下游端部(121)，
所述外围导管的所述第一部件(221)被所述输送导管(120)以纵向同心的方式贯穿，以使得所述输送导管的所述下游端部(121)位于所述外围导管的所述第一部件和所述第二部件之间的相交平面内，
其特征在于，所述外围导管的所述第二部件的长度L大于或等于所述外围导管的所述第二部件的直径DP2，并且在于，所述输送导管(120)的直径DT和所述外围导管(222)的所述第二部件的直径DP2具有如下关系：
0<DP2–DT<1/2DT。
2.根据权利要求1所述的将降低烟气污染物的粉末状化合物注入火炉导管(500)中的装置(10)，其中，所述外围导管的所述第二部件的所述下游端部(222a)直接连接到所述火炉导管上。
3.根据权利要求1所述的将降低烟气污染物的粉末状化合物注入火炉导管(500)中的装置(10)，其中，所述外围导管还包括第三部件(223)，所述第三部件(223)包括配备有上游端部(224a)的上游部分(224)和配备有下游端部(225a)的下游部分(225)，所述第三部件(223)的直径DP3小于直径DP2，所述上游端部被设置用于连接到所述外围导管的所述第二部件的下游端部上，所述下游端部被设置用于连接到所述火炉导管上。
4.根据权利要求3所述的将降低烟气污染物的粉末状化合物注入火炉导管(500)中的装置(10)，其中，所述外围导管的所述第三部件的所述上游部分(224)呈截圆锥形。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的将降低烟气污染物的粉末状化合物注入火炉导管(500)中的装置(10)，还包括：
-第一鼓风组件(200)，其连接到所述腔室(230)上并且被设置用于将外围气体(210)吹入所述腔室和所述外围导管(220)，
-第二鼓风组件(100)，其连接到所述输送导管(120)上并且被设置用于将输送气体(110)吹入所述输送导管，
-粉末状化合物配量构件(130)，其连接到粉末状化合物储存器中并在所述输送气体的流动方向上在所述第二鼓风组件下游连接到所述输送导管上，使得所述输送气体带走所配量的粉末状化合物。
6.根据权利要求5所述的将降低烟气污染物的粉末状化合物注入火炉导管(500)中的装置(10)，其中，所述第一鼓风组件(200)和所述第二鼓风组件(100)包括流量调节构件，以使得所述第一鼓风组件(200)和所述第二鼓风组件(100)的流量分别可调节。
7.根据权利要求5所述的将降低烟气污染物的粉末状化合物注入火炉导管(500)中的装置(10)，其中，所述粉末状化合物储存器是存储化学式为aCaCO3·bMgCO3·xCaO·yMgO·zCa(OH)2·tMg(OH)2·uI的钙镁化合物的储存器，其中，I表示杂质，a、b、x、y、z、t和u为相对于所述钙镁化合物的总重量的质量分数并且其中每个介于0至100％之间且u≤5％，所述质量分数的总和a+b+x+y+z+t+u等于所述钙镁化合物的总重量的100％。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的将降低烟气污染物的粉末状化合物注入火炉导管(500)中的装置(10)，其中，所述输送气体和/或所述外围气体彼此独立地为大气的环境空气。
9.一种火炉导管，该火炉导管配备有至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的将降低烟气污染物的粉末状化合物注入火炉导管(500)中的装置(10)。
10.一种通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，所述方法通过根据权利要求1至8中任一项所述的将降低烟气污染物的粉末状化合物注入火炉导管(500)中的装置(10)来执行，所述方法包括：
-注入质量流量QT的输送气体喷流，所述输送气体喷流被用于将所述粉末状化合物输送到烟气流量QF的烟气中，
-同时在输送气体喷流外围注入气体喷流，从而形成质量流量QP的外围气体喷流，
其特征在于，所述外围气体的质量流量与所述烟气的质量流量相比形成的比率QP/QF介于0.05％至0.25％之间。
11.根据权利要求10所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，所述输送气体的具有速率VT，并且所述外围气体具有速率VP，所述外围气体的速率VP介于所述输送气体VT的2倍至20倍之间，即2VT≤VP≤20VT。
12.根据权利要求10或11所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，所述输送气体的质量流量QT加上所述外围气体的质量流量QP与所述烟气的质量流量QF之比形成的比例(QT+QP)/QF介于0.1％至0.5％之间。
13.根据权利要求10或11所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，所述粉末状化合物以质量流量QA被注入，所述输送气体的质量流量QT与所述粉末状化合物的质量流量之比形成的比率QT/QA介于5至10之间。
14.根据权利要求10或11所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其特征在于，所述输送气体喷流的注入和所述外围气体喷流的注入在火炉导管的内表面处进行。
15.根据权利要求10或11所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，待处理的烟气的温度介于850℃至1150℃之间。
16.根据权利要求10或11所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，待处理的烟气的速率介于2m/s至150m/s之间。
17.根据权利要求16所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，待处理的烟气的速率介于3m/s至50m/s之间。
18.根据权利要求16所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，待处理的烟气的速率介于5m/s至30m/s之间。
19.根据权利要求10或11所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，所述输送气体喷流的速率和所述外围气体喷流的速率彼此独立调节。
20.根据权利要求10或11所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，所述输送气体和/或所述外围气体彼此独立地为空气。
21.根据权利要求10或11所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，所述烟气包括从下组中选择的污染物：酸性气体、重金属、呋喃、二恶英及其混合物。
22.根据权利要求21所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，所述酸性气体是含硫和/或含卤素的酸性气体。
23.根据权利要求21所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，所述酸性气体包括从下组中选择的污染物：SO2、SO3、HCl、HF、HBr及其混合物。
24.根据权利要求10或11所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，所述粉末状化合物包括碳酸盐、从钙和镁中选择的碱土金属的氢氧化物和/或氧化物、或者二者的化合物。
25.根据权利要求10或11所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，所述粉末状化合物包括化学式为aCaCO3·bMgCO3·xCaO·yMgO·zCa(OH)2·tMg(OH)2·uI的钙镁化合物，其中，I表示杂质，a、b、x、y、z、t和u为相对于所述钙镁化合物的总重量的质量分数并且其中每个介于0至100％之间且u≤5％，所述质量分数的总和a+b+x+y+z+t+u等于所述钙镁化合物的总重量的100％。
26.根据权利要求10或11所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，所述粉末状化合物包括重量超过50％的Ca(OH)2。
27.根据权利要求26所述的通过用于降低烟气污染物的粉末状化合物对火炉导管中的烟气进行处理的方法，其中，所述粉末状化合物包括重量超过90％的Ca(OH)2。
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