CN1619223A - 在燃烧中采用烟气分级的汞减少设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减少煤燃烧(26)排放的气体中的汞的方法。通过分级燃烧(20)过程和/或减少锅炉的过剩氧气(16)能减少汞的排放。在分级燃烧工况下形成的飞灰比在一般的燃烧工况下形成的飞灰对汞更具反应性。减少锅炉的过剩氧气也能提高飞灰吸收汞的能力。

Description

在燃烧中采用烟气分级的汞减少设备和方法
发明领域
本发明涉及煤的燃烧，特别涉及在煤燃烧过程中所产生的烟气中的汞(Hg)减少。
背景技术
汞是煤矿物质的组成部分。煤燃烧过程中汞以元素汞(Hg0)的形式挥发。以元素汞形式存在于整个炉子中的汞会留在烟气中。因此需要降低在煤燃烧过程中烟气中汞的释放量。
氧化态汞比元素汞更容易被排放控制系统收集。使烟气中的汞氧化是一种公知的捕捉汞并将其从烟气中除去的方法。随着烟气的冷却，部分汞和存在于煤中并在燃烧时释放出的氯发生氧化反应。相信烟气中的大多数氧化态汞(Hg+2)是以氯化汞(HgCl2)的形式存在。汞的氧化发生在燃烧气相反应和飞灰表面。相信飞灰表面汞的氧化是汞氧化的主要途径。
氧化态汞(HgCl2或Hg+2)是水溶性的，很容易被吸收在高碳飞灰或活性碳上。被飞灰捕捉的汞能和灰一起被收集，通过一个颗粒收集系统被除去。氧化态汞也很容易被用于控制二氧化硫(SO2)排放的湿式洗涤器除去。当烟气中的汞大多数被氧化时汞的控制通常是最有效的。
烟煤中一般有高的促进汞氧化的氯含量。另外，烟煤的飞灰中有相对高的能促进汞氧化的碳含量。相反，低级煤的氯含量较低，有较高的导致飞灰低含碳量的反应性。因此，低级煤燃烧产生的元素汞比烟煤或其他高氯煤燃烧产生的汞氧化的程度更小。
发明概述
本发明可具体是一种减少燃烧设备中煤燃烧排放的烟气中的汞的方法，包括以下步骤：在燃烧设备的主燃区的燃烧过程中，在低或没有过剩氧气的工况下，在该燃烧区燃烧煤；在燃烧过程中产生富碳飞灰；在燃烧过程中释放汞到燃烧产生的烟气中；通过喷射燃烧空气进入燃烧设备的燃烧区下游的后燃区分级燃烧空气；飞灰吸收烟气中的汞，在燃烧废弃物处理装置中收集吸收有汞的飞灰。
本发明也可具体是一种减少燃烧系统中煤燃烧排放的烟气中的汞的方法，所述方法包括：在燃烧系统的主燃区燃烧煤，其特征在于元素汞(Hg0)被释放在燃烧产生的烟气中；通过将一部分燃烧空气送到主燃区和将第二部分燃烧空气送到主燃区下游的过热空气区来分级地向燃烧系统供应燃烧空气；维持主燃区中的过剩氧气浓度不超过2％以释放煤燃烧产生的飞灰中的活性碳，；通过生成氧化态汞(Hg+2)而使元素汞氧化；通过飞灰中的活性碳吸收至少一部分烟气中的氧化态汞，在燃烧废弃处理装置中收集吸收了汞的飞灰。
本发明可进一步具体是一种处理燃煤加热炉排放的烟气中的汞的系统，包括：一接收燃烧空气并具有一个为燃烧过程所产生烟气和飞灰设置的下游通道的主燃区；一个用于喷射煤粉到主燃区的煤粉喷射器；一个用于引入燃烧氧气到主燃区的空气喷射器，其中为了释放煤燃烧产生的飞灰中的活性碳，该区域中的过剩氧气浓度不超过2％；一个处于该燃烧区下游并包括在下游通道内的过热空气燃尽区，其中燃烧空气被喷入该燃尽区；一个与烟气出口相连的燃烧废物处理装置和一个被捕捉粒状废物的排出口，其中所述主燃区燃烧煤，使得飞灰中含有活性碳来氧化和吸收释放到烟气中的汞。
附图简要描述
图1是具有一带低NOx燃烧器(LNB)的主燃区、一煤燃尽区和一过热空气(OFA)区的燃煤发电厂的示意图。
图2是与图1所示相似的燃煤发电厂以及活性碳喷射器和湿式洗涤器的示意图。
图3图解一锅炉模拟装置。
图4是显示汞、NOx和CO的释放与在燃烧烟煤的主燃区中化学计量(理想)空气燃料比(SR1)之间关系的曲线图。
图5是显示深度空气分级对汞去除的影响的曲线图，在此，为了稳定SR1值在0.5和0.7，分级通过变化SR2(OFA)来调整。
图6是汞去除量的曲线图，该去除量是相对于PRB煤在SR1值为常数0.5，过剩氧气浓度为3％和低于0.5时的燃烧失重而言。
图7显示过剩氧气(O2)对Hg去除的影响。
图8是显示SR1值为1.132和1.0时分级对飞灰表面面积和汞氧化的影响的曲线图。
本发明详细描述
在煤燃烧过程中现场形成的反应性飞灰能够有效的减少从燃煤电厂排放的汞(Hg)。反应性飞灰能够通过飞灰表面的催化反应促进汞的氧化。氧化态汞容易被吸收在含碳粒子上，例如现场形成的高碳飞灰或活性碳，或能够在湿式洗涤器中被除去。
虽然飞灰上的汞的氧化反应发生在锅炉后燃烧区中，但是飞灰的反应性受锅炉燃烧区的燃烧工况的影响。尤其发现飞灰的反应性受燃烧区的过剩空气量的影响。
一种在固定的煤加热燃烧系统中通过利用深度分级燃烧以产生高反应性飞灰和通过减少锅炉燃烧区的锅炉过剩氧气来有效控制汞的方法已经得到发展。燃烧空气被分级，以致使一些空气被引入燃烧区下游，且被引入燃烧区的空气处于或接近化学计量工况。
在过剩氧气被减少的工况下，例如在燃烧处于或接近化学计量工况下，对燃烧区的分级和/或运行增加了烟气中飞灰的反应性。在燃烧分级的工况下形成的飞灰比在一般燃烧工况下产生的飞灰对汞更具反应性。同样，相对在更多过剩空气量下燃烧生成的飞灰，在减少锅炉过剩空气的工况下形成的飞灰能更有效地吸收氧化态汞。
在燃烧中增加分级和/或减少过剩燃烧空气后，通过使飞灰更具反应性而增加了释放出来的汞在烟气中被捕捉的份额。在一般的过剩空气的燃烧工况下，低含碳量(小于1％)的飞灰在实际尺寸的锅炉中不是一个有效的汞吸附剂。然而，通过在燃烧区增加空气的分级和减少过剩空气量，低碳量的碳飞灰能有效地促进汞的氧化。
在分级燃烧的工况下形成的飞灰比在正常燃烧空气的工况下形成的飞灰有更高的表面面积。与使用常规过剩空气量燃烧产生的相对低表面面积的飞灰相比，高表面面积的飞灰能更有效地使汞氧化。因此，增加燃烧分级的程度能增加飞灰捕捉汞的能力。
分级燃烧从主燃区转移一部分燃烧空气到二次燃烧区，例如，过热空气(OFA)区。调整燃烧状况，例如NOx控制技术，能够用在现有锅炉上以利用分级燃烧减少NOx和汞的排放。更深度分级通常用来完成更有效的NOx控制。与这里讨论的为了在飞灰上有效地氧化汞而采用的深度分级相比，为有效减少Nox而采用的传统最佳深度的分级可能需要不同的运行工况。
在分级燃烧期间，煤中的一些碳并不像处于燃烧区有高过剩氧气浓度的锅炉环境中那样完全燃尽。分级燃烧趋向于增加飞灰中未燃尽碳量，特别是当燃烧烟煤时。通过深度分级燃烧工况来增加飞灰中的未燃碳促进了汞的去除。
当分级低级煤时，飞灰的增量相对小。飞灰没有大的增量表示，对于低级煤，飞灰上吸收的汞的增加可能不明显。即使分级不能显著地增加飞灰的含碳量，增加燃烧分级的深度，例如在烟气很下游的地方引入氧气浓度(例如在一个OFA喷射器处)，也能促进低级煤的飞灰表面上的汞氧化，。
当锅炉的过剩氧气减少时，煤燃烧过程中形成的飞灰对汞更具反应性。锅炉的过剩空气量影响锅炉的NOx和CO排放，且一般用来使这些排放和未燃尽碳最小化。这通过调节流入燃烧区和过热空气(OFA)区的空气流量来实现。
已发现，锅炉过剩空气的减少能导致飞灰除去汞的效率的增加。最小化过剩空气(O2)能通过调节流入主燃、再燃和OFA区的空气流量来实现。主燃区的过剩空气也可以通过阻止锅炉后流通段的泄漏来减少。减少这些空气泄漏将提高飞灰上汞氧化和吸收的效率，而不影响锅炉NOx和CO的排放。
反应性飞灰可有1％到30％重量百分比的碳，优选3％到20％。调整锅炉的燃烧工况以比其他的方式在飞灰中引起更高量的活性碳。通过增加飞灰反应性，飞灰除去汞的效率被提高。通过利用深度分级燃烧过程产生反应性飞灰和通过减少锅炉中的过剩空气，使燃烧工况最优化。减少燃烧锅炉中的过剩空气与低氮氧化物(NOx)燃烧控制是互补的。因此，汞的排放可通过在低过剩氧气浓度下运行和通过深度分级来减少，同时也最小化了NOx的排放。
图1所示是一燃煤电厂10，包括一带有一煤燃料喷射系统14、一次空气喷射器16、再燃煤喷射器18和过热空气(OFA)喷射器20的煤燃烧炉12，例如锅炉。一外部空气管道22可以分配由一空气源24，如环境空气，提供的空气到一次燃烧空气喷射器16和过热空气喷射器20。煤喷射系统14和燃烧空气喷射器16可包括在一低NOx燃烧器(LNB)系统内。
炉12包括一燃烧区26和一后燃区28，该后燃区包括一对流通道30。电厂10进一步包括一颗粒控制装置(PCD)32、灰燃尽单元34和一包括活性碳床或其他反应物床的汞收集单元36。大部分煤在锅炉12的主燃区26中被燃烧。剩下的煤在下游通过再燃喷射器18喷入，以提供一富含燃料的再燃区40。过热空气被喷入一OFA燃尽区42以完成燃烧。
煤中的大部分汞在主燃区26的燃烧期间被转移到烟气中。在再燃区40，再燃煤并不象在有过剩空气的主燃区中那样完全燃尽。因此，煤再燃增加了烟气中未燃尽碳量。通过为煤燃料和空气的喷射选择煤型和特殊的工况，燃烧过程能够被控制以产生包含有碳含量更多的活性飞灰的烟气。烟气在对流通道30被冷却，在那里汞被飞灰碳吸收。有汞的飞灰然后被PCD32收集。收集在PCD32中的飞灰在灰处理单元36被处理。灰处理单元可以是一个燃尽单元或类似装置。如果使用燃尽单元，那么余热可以被部分回收，例如通过预热锅炉热交换器用水而被电厂回收。当灰燃的燃尽产物通过汞收集单元36时，从飞灰碳中释放的汞被活性碳吸收。
飞灰中氮氧化物、汞和碳的浓度被一个三步处理过程减少。第一步，NOx的浓度在煤再燃的富燃料区被减少(在另外的实施例中，这个步骤可以通过LNB或者另一燃料/空气分级的低NOx燃烧调整技术来完成)。采用这一特殊技术的燃烧区被控制以在飞灰中形成强化碳。飞灰中的被强化碳能够通过使燃料分级和空气分级工况和燃烧工况最优化来形成，例如改变再燃烧燃料的量，改变再燃烧燃料和/或OFA喷射处的烟气温度。同样，更多的飞灰活性碳能够通过选择煤型或煤粒径来形成。进一步，强化碳能够通过调节LNB流量，通过选择一特殊的LNB设计，通过调节主燃烧区26的过剩空气，调节燃料的化学计量比和调节主燃区26和二次燃烧区28的燃料/空气混合来控制。
第二步，含碳的飞灰被冷却到450°F以下，期望的是400°F以下，优选350°F。在飞灰的此温度下，Nox在与碳反应中而被进一步减少，汞被飞灰中的强化碳吸收。PCD32能够收集带有碳和吸收有汞的灰。
第三步，飞灰中的碳被燃尽。同时，汞被从飞灰中吸收，被收集在一个活性碳床或能形成汞合金的其它反应物质床中，例如金或其他金属。碳燃尽反应器设计成能有效除去碳。该燃尽反应器能够与一汞捕捉反应器联合使用。
因为通过碳燃尽反应器的气体流比烟气流小得多，用于收集汞所需的活性碳量能够比为得到相同的结果而喷入的活性碳量大约低两个数量级。
使用飞灰中现场形成的碳，例如在锅炉中形成的碳，除去汞是有益的。在燃烧区26的燃烧温度下飞灰中的强化碳能瞬间产生。此外，控制工况的费用，典型的是为了最优化燃煤锅炉排出的飞灰中强化碳的产生，在很大程度上，比喷入的活性碳的费用少得多。因为碳是在“现场”产生的，不需额外的费用来处理活性碳和将其送入锅炉。
烟气、飞灰、未燃尽煤粒子和其他粒状物质(统称“燃烧物质”)向上通过炉12。通常，烟气中含有飞灰和各种气体和挥发性化合物，例如氮气、氧气、二氧化碳、氮氧化物、水、一氧化碳、二氧化硫和各种酸性气体。烟气的精确成分是由产生烟气的过程的性质决定的，且能及时地发生显著变化。一些燃烧产物落入炉底，作为废弃物被排出。
传统燃煤炉中的煤燃烧通常是不完全的，会产生带有一些碳的飞灰。而且，在传统的用来降低氮氧化物(NOx)的工艺中也会产生活性碳飞灰，降低氮氧化物的工艺例如是低NOx燃烧器(LNB)，使用过热空气(OFA)喷射，煤再燃烧和其他传统的低NOx燃烧技术。
在这里公开的炉中，主燃区26被配置成通过维持富燃料工况来形成飞灰。例如，主燃区26的过剩空气量小于2％，优选是0.3％或更小。过热空气区42被配置成运行贫燃料。然而，因为OFA区的温度比主燃区的低，在烟气中飞灰的碳没有完全燃尽。因此，流入锅炉下游和对流通道30的飞灰的反应性比在其他高效燃煤炉中所期望的高。
通过采用煤再燃烧将燃烧分级。再燃是一个二级燃料喷射技术，其中在现有主燃区26的上方，部分煤燃料(通常是锅炉总热输入的15％-25％)被转移到再燃区40，从而在再燃区产生一个稍微富含燃料的环境。在再燃区的下游，一部分燃烧空气被转移到过热空气喷射器20和OFA燃尽区42。燃烧发生在主燃区26、再燃区40，在OFA区42完成。飞灰除去汞的效率通过减少主燃区26的过剩空气来增加。与发生在传统的有再燃区和OFA区的锅炉相比，这是通过减少燃烧空气的总量，转移更多的燃料到再燃区和转移更多的空气到OFA区来实现的。
图2描述了一个与图1所示相似的燃煤电厂40。相同的参考符号被用来标记图2所示的燃煤电厂44与图1所示的燃煤电厂10的相同部件。电厂44包括一活性碳喷射系统46和一湿式洗涤器48。
减少过剩氧气以产生高碳飞灰的好处和效果在下面的燃煤试验描述中是明显的。试验在一个1.0MMBTU/hr锅炉模拟装置(BSF)60中进行。该BSF设备如图4所示。BSF提供从实际尺寸的在用电站中获得的烟气温度和成分的小尺寸模拟。
如图3所示，BSF60包括一燃烧器62、一垂直向下点火的辐射炉64、一冷却段66、一从炉伸出的水平对流通道68，一电气除尘器(ESP)69，和一带烟气采样仪器并与对流通道连通的烟囱70。燃烧器62是一带轴向燃料喷射器的可变旋流扩散燃烧器。一次空气从轴向喷射到炉的燃烧区。过热空气通过旋流叶片(未图示)沿径向喷入，以在燃烧区提供可控制的燃料/空气混合物。旋转数能够通过调节旋流叶片的角度来控制。沿炉轴向布置的多个孔口允许接入补充设备，例如再燃喷射器、附加喷射器、过热空气喷射器和取样探针。
辐射炉64有八个内径为22英寸和总高为20英尺的模块式耐火材料衬里段。对流通道68也是耐火材料衬里，且包括空气冷却管束以模拟实际锅炉的过热器和预热段。辐射炉中的放热和对流通道能够被控制，以使滞留时间—温度分布图与一般的实际尺寸锅炉相匹配。一个真空高温计(未图示)测量炉内气体温度。
BSF的ESP69是一个由12根带轴向电晕电极的管组成的单磁场单元。汞的浓度在ESP出口使用一在线汞分析器测得。该分析器能够测量烟气中的元素汞(Hg0)和总汞。氧化(Hg+2)汞能够作为总汞和Hg0之间的差值被测定。穿过ESP的平均温度是350°F。
七种类型的煤被试验：西部煤(#1-图6至8中的参考符号)；和东部烟煤(#2)、三种美国江河流域动力煤(PRB)(#3-#5)、和两种褐煤(#6和7)。BSF用煤燃烧，灰分中的碳(也表示为LOI)由分级燃烧空气控制。飞灰中的未燃尽碳(UBC)量由灰的燃烧失重(LOI)值显示。
通过空气分级，部分燃烧空气被从主燃区转移，并在下游喷射入OFA区。主燃区26中燃料的燃烧发生在富燃料工况或由空气对燃料的化学计量比(SR1)表征的近化学计量工况下。喷入过热空气(OFA)后的工况是贫燃料的，由OFA区中的空气对燃料的化学计量比(SR2)表征。
通过减少氧气浓度，主燃区26运行在富燃料工况下。在这些富燃料工况下，主燃区中的化学计量的空气—燃料比(SR1)低于、等于或稍稍高于1.0。当SR1等于1.0时，理想的是，所有煤在主燃区被燃烧。在实际工况下，当SR1等于1.0时，一些活性碳没有燃烧。为了完全燃烧，传统炉通常运行在SR1高于1.1处。
图4所示为对于烟煤#2，过剩空气对Hg和NOx的减少和一氧化碳(CO)的排放的影响的曲线图。试验规模的BSF测试表明减少过剩氧气对NOx、LOI和汞的去除有着重要的影响。汞的去除量被定义为燃料中引入的总汞与在ESP68出口处的烟气段中测得汞量之间的差值。当SR1值由1.16降到1.0时，过剩空气由2.7％降到几乎0％。汞和NOx的排放量(曲线图4的左侧)在低SR1值例如低于1.05处被减少。然而，在低SR1值处，例如低于1.04，CO的排放量(曲线图的右侧)和LOI增加。飞灰的LOI也随着SR1值的减少而增加。
图4显示减少过剩气量以至于主燃区中的SR1值低于1.05，会增加通过飞灰吸收而去除的汞量和PCD的去除量。
使用深度分级，燃烧空气，例如20％至35％，被转移到OFA区26。为了防止OFA区的氧气过多，通过测量过热空气量来控制OFA区的化学计量空气—燃料比(SR2)。例如，SR2值维持在1.16。维持OFA区的过剩氧气浓度到0.4％，优选小于0.2％，被用来增加汞的去除量。
图5所示为对于褐煤#6，在SR1值为0.5和0.7时，减少OFA区中的过剩氧气浓度对汞的去除量的影响。图6所示为对于SR1值为0.5的PRB煤燃烧，OFA区中的过剩氧气浓度对汞的去除量的影响。汞的去除量随着OFA区中过剩氧气浓度的减少而增加，且过剩氧气浓度值在0.2％至0.4％的范围内时，汞的去除量接近70％至80％。在OFA区中，在非常低的过剩氧气浓度下，例如小于1％，汞的去除量的增加是相当可观的。通过将OFA区中的过剩氧气浓度由3％减少到2％，能实现5％的汞去除效率的提高。
图7是一曲线图，显示了对于70％PRB煤和30％西部煤组成的混煤，OFA区中的过剩氧气浓度对汞去除量的影响。汞去除效率由过剩氧气浓度为3％时的60％增加到低过剩氧气浓度，例如低于0.5％时的80％以上。图7表明对于混煤，90％以上的汞去除率能够在过剩氧气浓度大约为0.3％时实现。图7也显示，通过将过剩氧气浓度从3％减少到大约2％，能实现10％的汞去除量的提高。
图8显示在传统燃烧工况下和空气分级时烟气中飞灰的表面面积和氧化态汞量。传统工况(图8的左栏)对应于SR1＝1.132，不包括分级。空气分级工况(图8的右栏)对应于SR1＝1.0和SR2＝1.132。如图8所示，BSR的规模试验表明，即使是飞灰中的碳量并不由于深度分级而增加，深度分级依然能增加汞氧化的效率，。对PRB煤#5的试验表明由于该煤的高反应性，空气分级对飞灰含量中的碳的影响小。在全分级工况下飞灰含量中的碳保持在0.3％到0.4％的范围内。
然而，空气分级增加了飞灰的表面面积。相对在传统工况下，在深度分级工况下更多的元素汞被氧化。图8表明采用深度分级将烟气中氧化态汞的百分数由约30％增加到约60％，将飞灰的表面面积由1.48m2/g(平方米每克飞灰)增加到了1.74m2/g。总的来说，BSR规模试验结果显示更深的分级和较低的过剩氧气浓度能提高飞灰除去汞的效率。
虽然已结合目前被认为是最可行和最优的实施例进行了描述，但应该理解本发明并不受所披露的实施例限制，相反，它要涵盖包含在所附权利要求书的精神和范围内的各种变化形式和等同方案。
名称：使用分级在烟道气体中减少汞的系统和方法
  参考符号     文字说明
    10     电厂
    12     煤燃烧单元
    14     煤燃料喷射系统
    16     一次空气喷射器
    18     再燃煤喷射器
    20     OFA喷射器
    22     进风管
    24     空气源
    26     主燃区
    28     后燃区
    30     对流通道
    32     颗粒控制装置
    34     灰燃尽单元
    36     汞收集单元
    40     再燃区
    42     OFA燃尽区
    44     另一个电厂
    46     活性碳喷射器
    48     湿式洗涤器
    60     锅炉模拟装置
    62     燃烧器
    64     炉
    66     对流通道
    68     电气除尘器
    70     烟囱

Claims (10)

1.一种减少燃烧设备(12)中煤燃烧的气体排放物中的汞的方法，所述方法包括如下步骤：
a.在燃烧设备主燃区(26)中燃烧煤(14)，该燃烧是在燃烧区(26)中燃烧期间、在低或没有过剩氧气(16)的工况下进行的；
b.在燃烧过程中产生富碳飞灰；
c.在燃烧过程中将汞释放到由燃烧产生的烟气中；
d.通过在燃烧设备的燃烧区下游的后燃区(28)喷射燃烧空气，使燃烧空气分级(20)；
e.用飞灰吸收烟气中的汞，和
f.在燃烧废弃物处理系统中收集(32)吸收了汞的飞灰。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在燃烧过程中过剩氧气(16)浓度小于约1.0％。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在燃烧过程中过剩氧气(16)浓度小于约0.5％。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在燃烧过程中过剩氧气(16)浓度小于煤燃烧所需氧气的化学计算量。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括将带活性碳的飞灰冷却(30)到450华氏度的温度以下以促进汞的吸收。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，后燃区(28)包括一被喷入分级燃烧空气的过热燃尽区(40，42)。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于从燃烧中释放的汞主要是元素汞(Hg0)，该方法还包括，随着烟气的冷却使元素汞氧化的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在一洗涤器(48)中，氧化态汞从烟气中被除去。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该燃烧废弃物处理系统包括一颗粒控制装置(32)，用来捕捉吸收有汞的飞灰并将捕捉到的飞灰排到一飞灰收集单元。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该燃烧废弃物处理系统包括一颗粒控制装置(32)，用来在飞灰冷却到不大于约400华氏度的温度后捕获飞灰。
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