CN1324999A

CN1324999A - 利用基于煤的再燃烧还原氮氧化物的方法

Info

Publication number: CN1324999A
Application number: CN01119524A
Authority: CN
Inventors: 小林尚; L·E·波尔三世; M·F·里利
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2001-05-17
Publication date: 2001-12-05
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: KR100602766B1; BR0102032A; EP1155731A1; CN1180197C; US6206949B1; KR20010105244A; CA2348061A1

Abstract

一种还原来自工业用炉燃烧的燃烧气体中NOx的方法,其中热氧与含碳燃料如碎煤粉反应形成富燃料气相混合物,然后用它还原NOx生成氮气。

Description

利用基于煤的再燃烧还原氮氧化物的方法

本发明一般涉及燃烧，更具体而言，涉及由燃烧而放出的氮氧化物NOx的还原。

在许多工业炉中，燃烧燃料和氧化剂以供热，可用于发电、炼钢和其它金属、制造玻璃以及废物处理等工业用途。燃烧过程中使用的典型氧化剂是含有相当大量氮的空气。燃烧过程中，燃料中的含氮物种和空气中的氮都被氧化成NOx。也生成包括二氧化碳和水蒸气等其它燃烧气体。

已经证明，从工业或其它炉子中放出的NOx对环境质量和人体健康有严重的影响。这些化合物会引起酸雨，是形成地平面臭氧的一个要素，而且与细微颗粒形成有关。

还原燃烧反应中放出的NOx的一条途径是再燃烧，即供燃料给含NOx的燃烧气体，使它与NOx反应生成氮气。再燃烧所用的燃料一般是甲烷或天然气。

最好是使用像煤或其它颗粒状含碳燃料那样的便宜燃料再燃烧，来还原NOx排出物。但是，使用这种燃料由于需要较长的接触时间而降低了再燃烧效率，并能产生碳含量高的灰尘，对这种灰尘还需要进一步处理。

因此，本发明目的是提供一种改进方法，用颗粒状含碳燃料再燃烧，还原燃烧反应放出的NOx排出物。

阅读这公开内容后，本领域熟练技术人员将明白，靠本发明可达到上述和其它目的，本发明是：

一个降低来自燃烧反应的燃烧气体中NOx含量的方法，包括：

(A)燃烧燃料和氧化剂以产生热，并形成包含NOx的燃烧气体；

(B)加热氧到1000°F～3000°F，形成热氧；

(C)混合热氧和含挥发性物质的颗粒状含碳燃料，以形成化学计量比小于1.0的混合物，使混合物内颗粒状含碳燃料脱去挥发性组份，并使热氧与混合物中的挥发性物质以及颗粒状含碳燃料反应，形成一种含烃基的富燃料气相混合物；

(D)使燃烧气体与富燃料气相混合物接触，使富燃料气相混合物中的烃基与燃烧气体中的NOx反应，形成氮气。

这里所述的“化学计量”是指氧分子与用于燃烧目的的燃料之比。化学计量比小于1.0是指氧的量比完全燃烧该燃料所需量少，亦即富燃料的情形。

这里所述“氧气”是指一种氧浓度至少为30mole％的气体流。它可以含氧浓度超过70mole％，或是氧浓度≥99.5mole％的商用纯氧。

这里所述的“氮氧化物”和“NOx”是指一氮或多氮氧化物(N₂O)，氧化氮(NO)，三氧化二氮(N₂O₃)，四氧化二氮(N₂O₄)，二氧化氮(NO₂)，四氧化三氮(N₃O₄)以及三氧化氮(NO₃)。

这里所述的“挥发性物质”是指加热时从固体或液体燃料中放出的有机化合物。这些化合物包括焦油类，甲烷和其它沸点适中的有机化合物。

这里所述“脱去挥发性组分”是指使挥发性物质从固体或液体中气体。

这里所述“烃基”是指由含氢或碳的物种分解或反应而形成的高反应性物种。烃基的实例包括NH,CH和CH₂。

这里所述“颗粒状”是指分得很细的材料，例如压碎或磨碎的固体材料或雾化的液体材料。

图1是本发明一个优选实施方案的截面图，其中热氧与颗粒状含碳燃料在送入炉子，与燃烧气体接触前先在气化室混合。

图2是本发明另一个优选实施方案的截面图，其中热氧与颗粒状含碳燃料直接供入炉子，与燃烧气体接触。

图3是本发明另一个优选实施方案的截面图，其中热氧与颗粒状含碳燃料用分别供应的方式直接供入炉子。

图4是说明本发明实施可达到效益的图解表示。

参考图示详述本发明。现在参考图1，已加热到1000°F～3000°F，最好是2000°F～3000°F的氧气1供入喷射器3的环形通道2。可用任何适当方法，如借助于与热源的热交换，来加热氧。本发明实施中特别优选的加热氧的方法是Anderson的美国专利No.5266024-中公开的方法。

含碳燃料4供入喷射器3的中心通道5。本发明实施中，任何固体或液体含碳燃料都可使用。优选的含碳燃料4包括磨碎的煤粉或石油焦碳。

热氧与颗粒状含碳燃料以同轴流束通过喷射器3，并以喷射器3进入气化室6，它们在那里混合，形成混合物7。如图1所示，优选的是使热氧和颗粒状燃料从喷射器3到气化室6通过的喷口收缩成小孔，因而加速热氧和含碳燃料，增强气化室6内的混合作用，形成一个更为均匀的混合物7。热氧和含碳燃料的供应要使混合物7的化学计量比＜1.0，优选是在0.1～0.6之间。

来自热氧的热引起含碳燃料内的一些挥发性物质脱出。热氧在气化室6内与挥发性物质，也与含碳燃料反应，形成一个富燃料的气相混合物，一般它包含有二氧化碳，一氧化碳，甲烷，氢和其它未反应的烃。也可能存在一些颗粒状燃料。由于最初由热氧将热带入热氧和挥发性物质以及含碳燃料的燃烧反应，以及燃烧反应本身释放的热，富燃料气相混合物也含有烃基。含烃基的富燃料气相混合物从气化室通过炉壁8，如物流9所示，进入炉区10。

在炉区10内，燃料和氧化剂燃烧，产生工业用热量。本发明实施中所用的炉区的实例包括实用锅炉，工业用炉和工业锅炉。产生热时，炉区10内燃料和氧化剂的燃烧反应也形成包括NOx的燃烧气体。燃烧气体在炉区10内与富燃料的气相混合物接触，而富燃料气相混合物的烃基与燃烧气体的NOx反应，还原NOx成氮气。然后，氮气与燃烧气体从炉内放出，因此，优于炉区内非再燃烧的其它方法，明显降低了炉内放出物的NOx量。若需要，可向炉区内供给额外的氧化剂如空气，以使富燃料气相混合物在出炉通道前就完全燃烧。

图2和图3说明了本发明其它实施方案，其中没有使用气化室。在图2和3所示本发明实施方案中，热氧和颗粒状含碳燃料直接供入炉内，它们在炉内形成低于化学计量的混合物。图2和3中所用的数字与图1中通用部件用的数字相同，这些通用部件不再详述。

在图2所示实施方案中，除了喷射装置安装在炉壁8处、混合物7在炉区10内形成外，所用的喷射装置与图1中相似。图2所示本发明实施方案的所有其它方面，基本上与图1所示实施方案中讨论过的相同。如本领域技术熟练人员估计的那样，燃料和氧化剂在炉区内的燃烧，炉区在图中未画出，发生在离富燃料气相混合物通入或形成处较远的地方。一般来说，燃烧发生在比富燃料气相混合物通入处或在炉区内形成处低的地方，燃烧气体在燃烧区内上升，完成与富燃料气相混合物的接触。

在图3所示的本发明实施方案中，热氧和含碳燃料通过分离装置直接供入炉区。热氧通过一或几个热氧喷枪11供应，含碳燃料通过燃料喷枪12供应。如图3所示热氧喷枪最好定位在使喷入炉区10的热氧流13对准喷入炉区10的颗粒状含碳燃料流14。通常，流束13和14在混合并形成亚化学计量混合物7之前，将夹带一些燃烧气体。因此，在炉区10内以前述相似的方式，形成富燃料气相混合物，使NOx还原成氮气。

申请人发现只需要少量热氧就能有效地使含碳燃料挥发，反过来，含碳燃料能产生足够量烃基去完成本发明的再燃烧，产生氮气。这表示在图4中，图4表明，用鼓风气流中空气燃烧碎煤粉四种情形的总燃烧、挥发性物质的释放(VM)和固定碳燃烧(FC)的结果，四种情形是，(1)基础情况，其中无氧供入鼓风气流，(2)富集，其中氧以室温，鼓风加热器上行气流供应，(3)冷喷射，其中氧供入室温鼓风气流，(4)热喷射，其中使用加热了的氧。每种情形中燃料是工业鼓风炉操作中常用的那种高挥发性碎煤粉，具有表1所示分析结果。燃料以9.5kg/hr流速供入鼓风气流。

表1-煤的分析

组分分析重量％元素分析重量％

水分 1.19 碳 77.5

灰尘 7.13 氢 5.1

挥发性物质 34.94 氮 1.4

固定碳 56.75 硫 1.0

氧 6.7

碳由用水骤冷来收集。总的煤烯烧分数T由原料煤的灰尘量A₀和所收集碳的灰尘量A₁的化学分析，按关系式

T = \frac{(A_{1} - A_{0})}{A_{1} (1 - A_{0})}

确定。挥发性物质的释放R和固定碳的燃烧C由煤中的灰尘、挥发性物质(V₀)和固定碳(F₀)的化学分析以及碳中的灰尘、挥发性组分(V₁)和固定碳(F₁)的化学分析按关系式

R = 1 - \frac{V_{1} A_{0}}{V_{0} A_{1}}

C = 1 - \frac{F_{1} A_{0}}{F_{0} A_{1}}

确定。

使用氧时，3.7Nm³/hr的空气流被氧替代。对于富集试验，空气和氧在室温混合，加热混合物到900℃，因此，总的气体流率、速度和温度与基底情形相同。对于室温喷射试验，93.7Nm³/hr的空气用于900℃鼓风，3.7Nm³/hr的氧通过氧喷枪喷射。总的气体流率与基底情形相同，而温度降低了，因为加入的氧未被加热。用于室温喷射试验的氧纯度为～99.99％。对于热喷射试验，氧浓度为～80mole％，温度为1565℃。

图4对煤喷射率为9.5Kg/hr的每种情形的总燃烧、挥发性物质释放和固定碳燃烧作了比较。由图4报导结果可看出，少量氧的使用与只用空气作氧化剂所得结果相比，大大改进了挥发性物质的释放；使用热氧显示出更高的性能，导致更多的挥发性物质以产生更多的烃基用于再燃烧。

现在，使用本发明，人们可以有效地利用煤或其它廉价燃料再燃烧来还原工业用炉放出的NOx。虽然本发明已参考某些优选实施方案详细描述了，但本领域熟练技术人员将认识到，在权利要求的精神和范围内还有本发明的一些其它实施方案。

Claims

1．一种还原来自燃烧反应产生的燃烧气中的NOx的方法，包括：

(A)燃烧燃料和氧化剂以产生热，并形成包含NOx的燃烧气体；

(B)加热氧到1000°F～3000°F，形成热氧气；

(C)混合热氧和含挥发性组分的颗粒状含碳燃料，形成化学计量比小于1.0的混合物，

使混合物中颗粒状含碳燃料脱去挥发性组分，使热氧气与混合物中的挥发性组分以及颗粒状含碳燃料反应，形成含烃基的富燃料气相混合物；

(D)使燃烧气体与富燃料气相混合物接触，使富燃料气相混合物中的烃基与燃烧气体中的NOx反应，生成氮气。

2．权利要求1的方法，其中热氧温度为2000°F～3000°F。

3．权利要求1的方法，其中颗粒状含碳燃料包括煤。

4．权利要求1的方法，其中混合物的化学计量比为0.1～0.6。

5．权利要求1的方法，其中热氧的氧浓度至少为70mol％。

6．权利要求1的方法，其中热氧和颗粒状含氧燃料通入气化室，富燃料气相混合物从气化室通入炉区，然后在此与燃烧气体接触。

7．权利要求1的方法，其中热氧和颗粒状含碳燃料通入炉区，炉区内也含有包括NOx的燃烧气体。

8．权利要求1的方法，其中在形成化学计量比小于1.0的混合物之前，热氧和颗粒状含碳燃料被加速。

9．权利要求1的方法，其中在热氧与颗粒状含碳燃料混合前，将一些燃烧气体输入热氧。