專利名稱：可控制SOx和NOx的燃煤方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種多級燃燒載硫和載氮煤的方法，該方法的燃燒效率高，同時能夠防止形成空氣污染物SOx和NOx(硫和氮的氧化物)。
眾所周知，在傳統(tǒng)的燃燒礦物燃料過程中，以化學(xué)方式結(jié)合于那些燃料中的氮和硫分別被氧化成NOx和SOx。此外，氮在助燃空氣中高溫氧化也會生成NOx。如果這些酸性氣體，即NOx和SOx，釋放到大氣中，它們將吸收大氣中的水份，之后，成酸雨降落到地面上。
現(xiàn)有技術(shù)公開了各種處理方法，這些方法可以燃燒載氮燃料和既載氮又載硫的燃料，通常是在富燃料條件下，來限制NOx和SOx放出?，F(xiàn)有技術(shù)的專利如下Blair等 4,343,606Carver等 4,38,78Ashworth等 4,395,975Ashworth等 4,423,702Dykema 4,427,362Adrain等 4,475,472Moriarty 4,517,165Moriarty等 4,523,532Brown等 4,542,704Brown4,582,005Breen等 4,779,545
Dykema 4,807,542Bell等 4,951,579Dykema 5,085,156沒有哪份現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)需要一個初始的很高溫度的燃燒狀態(tài)使硫從煤中的結(jié)合態(tài)游離出來。也沒有哪一份現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)同時需要一個高溫和一個低溫條件，先將硫從煤中游離出來，然后，用堿性材料將其捕獲，最大程度地釋放硫并捕獲之。此外，沒有哪份現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)將助燃空氣中的全部或部分氧氣和氮?dú)夥蛛x開來以便提供富氧和貧氧助燃?xì)怏w，然后，根據(jù)最佳控制SOx和NOx要求，分別按序升高燃燒溫度和降低燃燒溫度。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種使煤最高效地燃燒，但空氣污染物SOx和NOx排放量為最小的方法，該方法包括把煤粉和第一富氧氣體引入到第一燃燒級的第一燃燒區(qū)(1a)內(nèi)，在其內(nèi)形成混合物，使該混合物在第一燃燒區(qū)內(nèi)燃燒；把能與從煤中產(chǎn)生出來的硫反應(yīng)的粉狀固體堿性化合物和第一股富氮?dú)怏w引入在第一燃燒級的第二燃燒區(qū)(1b)內(nèi)的來自第一燃燒區(qū)的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成混合物，使混合物在第二燃燒區(qū)內(nèi)反應(yīng)，并形成固態(tài)載硫化合物；把第二富氧氣體引入到第二燃燒級(2)內(nèi)的來自第一燃燒級的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成混合物，并使混合物在第二燃燒級內(nèi)反應(yīng)，主要燒掉剩余碳?xì)浠衔锊⑿纬扇墼粚⑤d硫化合物包封在熔渣內(nèi)，然后，從燃燒氣流中除去大部分熔渣和載硫化合物，冷卻燃燒氣；把第二股富氮?dú)怏w引入到第三燃燒級(3)內(nèi)的來自第二燃燒級的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，使混合物在第三燃燒級內(nèi)反應(yīng)并冷卻煙氣，把第三股富氧氣體引入到第四燃燒級(4)內(nèi)的來自第三燃燒級的燃燒產(chǎn)物內(nèi)并在第四燃燒級中完成燃燒并冷卻混合物。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種能夠盡可能少地排放空氣污染物硫氧化物(SOx)的煤燃燒方法，該方法的改進(jìn)包括把煤粉和富氧氣體引入到第一燃燒區(qū)內(nèi)，在其內(nèi)形成混合物，使該混合物在高溫下燃燒并使煤中的硫游離出來；把能與硫反應(yīng)的粉狀固態(tài)堿性化合物和富氮?dú)怏w引入到第二燃燒區(qū)內(nèi)的來自第一燃燒區(qū)的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成混合物，使該混合物在第二燃燒區(qū)內(nèi)以相對低的溫度反應(yīng)，通過硫與堿性化合物的反應(yīng)來捕獲硫并形成硫化合物。
根據(jù)本發(fā)明，同時地改變和控制相聯(lián)的各級內(nèi)的空氣/燃料的化學(xué)計量比和燃燒溫度使得碳在富燃料條件下幾乎完全燃燼，在富燃料條件上(1)無害的分子氮在任何情況下均為氮的熱力學(xué)優(yōu)選形式；(2)在燃燒期間，硫直接從其與煤的原始的結(jié)合態(tài)被轉(zhuǎn)換成包封在熔渣內(nèi)的固態(tài)鈣-硫化合物?？梢詮娜紵龤饬髦袑⒋蟛糠直话獾牧虺?。最后的、來自上級的燃料稍多些的燃燒產(chǎn)物能容易地在最后的過量空氣級內(nèi)完全燃燒，同時，不會在空氣中生成大量的氧化氮。
本方法在連續(xù)的四級過程中的處理如下級1.初始碳?xì)浠衔餆艉土蚩刂啤４蟛糠痔細(xì)浠衔镒鳛槿剂媳粺?，而硫和氮從與燃料的結(jié)合態(tài)游離出來級(1a)。用諸如氧化鈣、石灰石之類的固體堿性化合物捕獲硫級(1b)。
級2.最后燒掉碳并除渣。燃料中的剩余碳?xì)浠衔锉粺?，煤灰和鈣-硫化合物的殘余混合物被熔化，將硫包封在熔化的渣內(nèi)。通過排渣孔從燃燒氣流和燃燒器內(nèi)除去大部分渣。
級3.CO和H2初步燒掉。幾乎完全地將CO和H2氧化成二氧化碳和水。利用與工質(zhì)的熱交換冷卻燃燒氣。
級4.CO和H2的最后燒燼。燃燒最后是在過量空氣下完成。
在所有各級中的燃燒是在燃料濃度逐漸降低的條件下完成的，而在級4中以過量空氣的條件下結(jié)束燃燒。本發(fā)明的一個重要特征在于同時、并相對大地改變和控制燃燒溫度，這樣不僅為了在級(1)和(2)中有效地捕獲硫和處理創(chuàng)造所需的運(yùn)行條件，而且，在整個過程保持富燃料狀態(tài)的燃燒條件，在該條件下，分子氮是氮的熱力學(xué)優(yōu)選形式。后述的條件甚至于能夠防止瞬時形成氮基空氣污染物。
為了加速碳?xì)浠衔锏娜紵?，使硫從與煤的結(jié)合態(tài)游離出來，熔化載硫灰和使動力循環(huán)效率最高，人們幾乎總是希望在最高(絕熱平衡)燃燒溫度，與SR條件一致的條件下運(yùn)行，這些條件有利于分子氮。例外的是級(1b)和(3)。在級(1b)的溫度要求低于絕熱溫度是便于以期望的還原鈣-硫化合物的形式捕獲游離硫。在級(3)中，絕熱平衡燃燒溫度是最高的，為了簡單地保持有利于分子氮的形式，溫度必需低于平衡溫度。因此，相對于絕熱平衡溫度而言，整個富燃料狀態(tài)的燃燒過程的期望溫度交替地為高溫[級(1a)和(2)]和低溫[級(1b)和(3)]。級4內(nèi)的過量空氣燃燒時的期望溫度也低于絕熱溫度，但這僅僅是與工質(zhì)進(jìn)行了大量的熱交換之后實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明方法的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括所有利用煤燃燒熱的過程。特別合適的是燃煤電站鍋爐，不管是改裝還是新建的，以及聯(lián)合循環(huán)電力系統(tǒng)上的燃煤氣體透平。


圖1示意性地表示完成本發(fā)明的系統(tǒng)。
圖2示意性地表示本發(fā)明的方法對于一個特定運(yùn)行示例的各個步驟中為完全燃燒所需的參數(shù)，包括燃燒溫度和所需的氣體中氧氣的化學(xué)計量比，示例中使用了典型的煙煤。圖2表示相對于同樣的煤用空氣作絕熱平衡燃燒，和相對于所需溫和形式的硫和氮為熱力學(xué)優(yōu)選形式的這些狀態(tài)，本方法中的幾個燃燒級和燃燒區(qū)內(nèi)的運(yùn)行條件，燃燒氣體化學(xué)計量比和溫度。本發(fā)明的詳細(xì)說明和優(yōu)選實(shí)施例將主要以碳-硫和鐵-硫(有機(jī)的和黃鐵礦的)形式存在于煤中的硫轉(zhuǎn)換成更穩(wěn)定的吸著劑-硫化合物一般需要兩個不同的步驟其中一個步驟是把硫從與燃料的結(jié)合態(tài)中游離出來(氣化)，而第二步驟是將作為所需的吸著劑-化合物再捕獲。促進(jìn)這些反應(yīng)的燃燒條件恰好相反。游離和氣化硫高溫更為有利，而相對完全的碳燃燼并用吸著劑再捕獲低溫為好。通過將吸著劑對硫的捕獲處理過程分別在第一級的兩個緊隨燃燒區(qū)(高溫區(qū)和低溫區(qū))內(nèi)進(jìn)行將會最好地提高捕獲效率，煤引入到第一區(qū)內(nèi)，而吸著劑被引入到第二區(qū)內(nèi)。
下面，結(jié)合附圖1詳細(xì)地說明本發(fā)明的煤燃燒的四級處理方法，該方法能夠盡可能地提高燃燒效率，而盡可能小地排放有毒氣體和固狀污物，圖1圖示性地表示了完成該方法的系統(tǒng)。
由此，在第一級1a中，載氣夾帶的粉煤和第一股富氧氣體分別在10和12處被引入第一燃燒級14內(nèi)的第一燃燒區(qū)1a中，在其內(nèi)形成由第一股富氧氣體夾帶的煤的混合流。富氧助燃?xì)怏w中的25-40％(重量)為氧氣，所含的氧氣量應(yīng)能提供煤完全燃燒所需化學(xué)計量的氧量的20-40％。在該第一級燃燒區(qū)內(nèi)的反應(yīng)溫度為1800-2300K。在該反應(yīng)中，大部分碳?xì)浠衔镒鳛槿剂隙粺簦褐薪Y(jié)合的硫和氮被游離和/或氣化。在大多數(shù)的高硫煙煤中，硫的主要部分是以黃鐵礦(FeS2)的形式存在。為了完成從煤中高效捕硫的目的，設(shè)計出的第一燃燒區(qū)可以一個中心“熱芯”15運(yùn)行。優(yōu)選是在執(zhí)行本發(fā)明的處理方法中，煤和硫吸著劑固體中至少70％應(yīng)通過一個200目的篩。為了加速熱芯區(qū)內(nèi)的燃燒和硫的游離，可把煤磨成微小顆粒。
為了優(yōu)化燃燒過程和提供最佳SOx和NOx控制，在各個燃燒級內(nèi)的氣體溫度就需要有很大的變化。高到足以將硫從燃料中游離出來的溫度為1900K或更高，但這個溫度不適應(yīng)于用鈣來很好地捕獲硫(除非常高濃度燃料條件之外)。這種高溫條件和需要非常高濃度燃料燃燒條件(以氣態(tài))一起是難以在典型的大氣壓燃燒中實(shí)現(xiàn)的。因此，首先需要在適度的高燃料濃度條件下以高溫燃燒煤，游離出硫，然后，快速流入那些低溫但仍保持適度高燃料濃度條件的區(qū)內(nèi)，這些條件適合于有效捕獲已游離的硫。降低富燃料級內(nèi)的燃燒溫度的較好的方式是在燃燒氣中引入氮?dú)?，氮?dú)庾鳛橹伎諝獾母咝Ф栊韵♂寗?br> 來自第一級燃燒區(qū)1a的燃燒產(chǎn)物流入第一級內(nèi)的第二燃燒區(qū)1b內(nèi)，石灰石之類的粉狀固態(tài)無機(jī)堿性硫吸著劑和第一股富氮?dú)怏w一起在16被引入?yún)^(qū)1b內(nèi)，在限定區(qū)18內(nèi)形成一股環(huán)繞熱芯15的混合物流。吸著劑和冷卻劑、富氮?dú)怏w一起被引入，能夠防止吸著劑在熱芯內(nèi)燒結(jié)失效，并因此降低其化學(xué)活性。然后，該混合物與來自熱芯15的熱燃燒產(chǎn)物在第一燃燒區(qū)1b內(nèi)混合。使用的硫吸著劑可以是鈣，鎂，鈉的氧化物，氫氧化物和碳酸鹽，典型的是石灰石。第一股富氮?dú)饬髦袘?yīng)包含的氧氣量與來自第一燃燒區(qū)的氧氣量之和應(yīng)達(dá)到煤完全燃燒所需的化學(xué)計量氧氣量的35-55％。在這些條件下，由于冷卻劑富氮助燃空氣在熱芯下游與熱燃燒氣混合，因此，第一級燃燒區(qū)1b的燃燒溫度基本上下降到1200-1500K的范圍內(nèi)。
低溫燃燒條件有助于硫和硫吸著劑之間的反應(yīng)。硫與硫吸著劑之間的反應(yīng)生成諸如硫化鈣那樣的化合物。作為本發(fā)明的一個特征，該冷卻劑富氮助燃空氣沿中心的熱芯周圍引入的，這樣，不僅延遲與來自中心熱芯的燃燒氣的混合和稀釋這些燃燒氣，而且，使得來自燃燒區(qū)1a的高溫?zé)煔夂蛠碜灾行臒嵝镜臒煔鈨?nèi)的部分熔化的、“粘性”飛灰遠(yuǎn)離區(qū)1b的高溫、耐火燃燒室壁。第一股富氮?dú)怏w射流專門用于不讓熱的、燃燒的煤粒飛出燃燒室中心。
來自第一級燃燒區(qū)1b的包含有含硫固體、煤灰和渣的燃燒產(chǎn)物與在32處噴入的第二股富氧氣體一起被引入第二燃燒級2內(nèi)，在其內(nèi)形成一股混合流。第二股富氧氣流中應(yīng)有的氧氣含量與來自第一燃燒級的氧氣含量之和應(yīng)為煤完全燃燒所需的化學(xué)計量氧量的大約65-85％，在第二級燃燒區(qū)內(nèi)的溫度基本能升高到1300-2100K。
級2的主要目的是(1)完成燃料碳燃燼，并建立初始的低水平的CO和H2，而且保持很低水平的NOx；(2)熔化飛灰和渣，來包封和保持被捕獲的硫；(3)除去大部分熔化的渣；和(4)多多少少冷卻煙氣，以便于為下一級燃燒作準(zhǔn)備。燃料-空氣混合物在第二級內(nèi)反應(yīng)燒掉燃料中的剩余碳?xì)浠衔锊⑷刍瘹堄嗝夯?、載硫固體和過量吸著劑。這些熔融的渣包封并保持被捕獲的硫化合物在玻璃狀的，相對不透明的物質(zhì)之中，這樣，大大地減少了氧與捕獲的硫接觸的可能性。利用使氣流急速轉(zhuǎn)向的手段，大部分熔融的固體(包括捕獲到的硫)被從燃燒氣流中和燃燒器20內(nèi)除去，并經(jīng)出渣口24排出。此外，在除去了渣之后，借助于與如鍋爐28之類的設(shè)備內(nèi)的工質(zhì)熱交換將第二級煙氣大幅度冷卻，冷卻量可超過400K以上，以便于準(zhǔn)備在下級燃燒區(qū)內(nèi)燃燒并確保固體顆粒飛灰順利穿過鍋爐。
第二股富氮?dú)怏w在26處引入到第三燃燒級3內(nèi)的來自第二燃燒級2的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成一股混合流，第二股富氮?dú)怏w中的氧氣的含量與來自第二燃燒級的氧量之和應(yīng)達(dá)到煤完全燃燒所需的化學(xué)計量氧量的大約80-100％，使混合物在第三級燃燒區(qū)反應(yīng)。第三級燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒溫度從第二級燃燒內(nèi)的溫度大體降低到1200-1800K。
級3的主要目的是(1)進(jìn)一步減少CO和H2，并維持很低水平的NOx；(2)進(jìn)一步冷卻燃燒氣體，以便于準(zhǔn)備在下一級在過量空氣中作最后的燃燒。如果向來自第二級的燃燒氣中提供標(biāo)準(zhǔn)助燃空氣，則初始燃燒溫度和NOx的濃度將分別會高達(dá)1900K和50ppm。本發(fā)明中所用的設(shè)想是用過量氮?dú)饣蚧亓魅剂蠚庀♂尮┙o第三級的助燃空氣，因此，把溫度降低到了1200-1800K的范圍并防止形成任何新的NOx。此外，借助于與如鍋爐28之類的設(shè)備內(nèi)的工質(zhì)的熱交換將第三級煙氣大幅度冷卻，冷卻量可超過300K以上，以便為在最后一級過量空氣燃燒區(qū)內(nèi)燃燒作準(zhǔn)備。
第三股富氧氣體在30處被引入到第四燃燒級4內(nèi)的來自第三燃燒級3的燃燒產(chǎn)物中，在其內(nèi)形成一股混合流，第三股富氧氣體中的氧氣的含量與來自第三燃燒級的氧氣量之和應(yīng)達(dá)到煤完全燃燒所需的化學(xué)計量氧量的100％以上。如果在級3中回流燃料氣而不是氮?dú)?，那么，在?中，可使用標(biāo)準(zhǔn)空氣。在第四燃燒級內(nèi)的初始溫度為1200-1600K。
級4的主要目的是確保完全燃燼所有燃料種類而不產(chǎn)生新的NOx，盡管事實(shí)是最后的燃燒是在平衡NOx的水平為相當(dāng)高的條件下完成的。在本發(fā)明中，通過將最后的、過量助燃空氣延遲到第三級溫度已被降低到所謂“動力溫帶(kinetic corridor)”后，防止了NOx的形成。在該溫帶，即使在過量空氣的條件下，CO和H2的凈氧化速率相對較高，但氮?dú)庋趸蒒Ox基本上被“凍結(jié)”。此外，利用熱交換連續(xù)地進(jìn)行冷卻，直到獲取最大可能的熱量。
本發(fā)明的煤的完全燃燒方法和系統(tǒng)由五個主要步驟組成，與之相應(yīng)地有四級燃燒。第一到第三級(1a，1b和2的一部分)，接近于除渣，熱量損失應(yīng)盡可能少，以便實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行狀態(tài)，因此在襯有耐火層的、僅稍有些熱損失的部分內(nèi)實(shí)施。將所有這些熱的部分看作為“燃燒器”，如圖1示意性地用20表示的部分。在除渣后，開始快速地與工質(zhì)進(jìn)行熱交換，降低燃燒過程中的運(yùn)行溫度是很重要的。后續(xù)的這些部分(2的部分和3和4的全部)基本上是在鍋爐內(nèi)發(fā)生，或在利用燃燒放出的熱量的設(shè)備，如圖1所示的28內(nèi)發(fā)生。
除了熱交換受到控制以外，通過既控制每一步或每一級開始處的助燃空氣噴射量(化學(xué)計量的量)以及又控制空氣(O2/N2)的成分而實(shí)現(xiàn)了這五步的運(yùn)行條件。
一個最優(yōu)選的實(shí)施例中，第一和第二富氧助燃?xì)怏w的25-40％是氧氣，第一富氮助燃?xì)怏w中的80-95％是氮?dú)?，第二富氮助燃?xì)怏w中的80-90％是氮?dú)猓约暗谌谎踔細(xì)怏w中的50-100％是氧氣(均為重量百分比)。
通過將級1a和級2的助燃空氣中的部分氮?dú)夥蛛x出來，并將分離出來的氮?dú)廪D(zhuǎn)送到級1b內(nèi)，用作降溫惰性稀釋劑，有必要在級1和2內(nèi)創(chuàng)造所需的較大的溫度漂移范圍。結(jié)果，供到級1a內(nèi)的助燃空氣中的氮?dú)鉂舛鹊?或相對而言，氧氣濃度高)，創(chuàng)造了碳?xì)浠衔锏某跏嫉目焖偃紵陀坞x與燃料結(jié)合的硫的相對熱而又富燃料條件。單獨(dú)的氮?dú)馀c供給到級1b內(nèi)的助燃空氣混合造成了相對冷的但仍為富燃料的條件，在該條件下，能夠形成穩(wěn)定的，例如，鈣-硫化合物。
也可以在級3和級4之間進(jìn)行類似的氮?dú)廪D(zhuǎn)換處理?？梢詮募?氣體中除去一些氮?dú)舛阉鼈兗拥郊?氣體中。從級4氣體中分離出的部分氮?dú)庖部梢赞D(zhuǎn)換到級1b，為便于進(jìn)一步降低那個臨界硫控制級內(nèi)的溫度。換句話說，級3內(nèi)的燃料稍微多一些，因此，返回的燃料氣可以作為一種足夠的惰性稀釋劑。
可以采用各種商業(yè)手段來全部或部分地將部分助燃空氣中的氧氣和氮?dú)夥珠_供給到本方法中的各級內(nèi)。然后，把這些被分開的組分與各級助燃空氣混合。最通用的，目前最新設(shè)計是使用深冷技術(shù)來生產(chǎn)純度相對高的氧氣和氮?dú)?。另外的還可以采用膜分離，其中，從一股助燃空氣中除去部分氮?dú)馊缓笈c另一股混合。同樣，回流燃料氣可用作為燃燒氣體的相當(dāng)實(shí)際的“惰性”稀釋劑，燃燒氣體內(nèi)的燃料稍多些，例如級3內(nèi)的燃燒氣體。
在一個特定實(shí)施例中，被引入到第四燃燒級內(nèi)的助燃空氣中的氧氣含量并不特別高，而是僅含有23-40％(重量百分比)的氧氣，被引入到第三級的助燃空氣是標(biāo)準(zhǔn)的空氣。代替氮?dú)獾幕亓魅剂蠚馀c第三級助燃空氣混合，來控制在該級內(nèi)的初始燃燒溫度。
下面是一個本發(fā)明的實(shí)際例子實(shí)施例下面表示典型的或一般的高硫煙煤(Illinois#6)的燃燒，其中，大部分硫是黃鐵礦型的，根據(jù)本發(fā)明上述的方法在大氣壓下和助燃空氣預(yù)熱到500F燃燒這種煙煤。取樣煤的成分列于表1中。
表1碳 67.1氫 4.5氮 1.5硫 2.6氧 6.8灰 10.5
水份7.0100.0圖2表示每一級1a，1b，2，3和4級內(nèi)的燃燒溫度和煤完全燃燒所需的空氣中的氧氣的化學(xué)計量比。這種特定燃燒溫度和特定的化學(xué)計量比均在上述的范圍內(nèi)。
為了根據(jù)煤中硫含量提供2∶1摩爾比的鈣∶硫，用級1b助燃空氣夾帶粉狀石灰石，其量是每噸與樣品煤相同的煤夾帶294磅(lbs)的粉狀石灰石。熔化的煤灰和渣及包封的硫化鈣在級2內(nèi)被從燃燒氣流中除去。
從要流入級1a，2和4內(nèi)的助燃空氣中分離出一半氮?dú)?，并使這部分氮?dú)馀c將流入級1b內(nèi)的(標(biāo)準(zhǔn))空氣混合；將流入級4的助燃空氣中的剩余一半氮?dú)庖脖环蛛x出，然后與要流入級3的(標(biāo)準(zhǔn))空氣混合。將要流入級4中的助燃“空氣”是純氧氣。
表2表示產(chǎn)生的總的流速和流入各個燃燒級和區(qū)的空氣內(nèi)的氧氣百分比，以及在每級內(nèi)產(chǎn)生的化學(xué)計量比。
表2.級區(qū)、流速和組分級/區(qū)流速1氧氣濃度2SRCA30.80023.25--1a 1.10337.6 0.301b43.378 5.9 0.4021.59637.6 0.7032.55715.6 0.90
40.500100.01.015SR＝完全燃燒所需氧氣的理論比。
1. Lbs/lb燃燒后的(as-fired)煤2.重量百分?jǐn)?shù)3. CA＝PC載氣4.承載石灰石5.標(biāo)準(zhǔn)空氣除了用過量氮?dú)庀♂屢酝?，也可直接與工質(zhì)(通常為水或蒸汽)熱交換來降低溫度，在級1和2內(nèi)溫度稍有下降，但在級2的大部分內(nèi)和級3和4的全部溫度顯著下降。最后的溫度和某些特定燃燒產(chǎn)物成分列于表3中。
表3.燃燒產(chǎn)物溫度和組分級/ 溫度 K 熱 組分MOL％PPM2區(qū) SR 進(jìn)出 交換1C(s) COH2SO2NOxCA -Amb. - 0.0100.0 0.0 0.0 0 01a 0.30 1973 1956 0.4 40.0 26.1 7.0 2600 01b 0.40 1412 1391 0.9 24.1 12.2 4.1 0 02 0.70 1922 147320.6 0 7.5 1.8 0 03 0.90 1758 140819.7 0 0.5 0.1 0 04 1.15 1422 Amb.58.4 0 0.0 0.0 0 01.所得熱量的百分?jǐn)?shù)2.在最終過量空氣中，3％O2應(yīng)該注意到，在以表3為基準(zhǔn)的圖2中，盡管第一級燃燒氣有少量的熱量傳出，但第一燃燒區(qū)1a內(nèi)的溫度仍明顯高于煤在標(biāo)準(zhǔn)空氣下作絕熱平衡燃燒所產(chǎn)生的溫度，而第二燃燒區(qū)1b的溫度明顯低于煤在標(biāo)準(zhǔn)空氣下作絕熱平衡燃燒所產(chǎn)生的溫度，如線A所示的那樣，所有隨后的區(qū)和級的溫度基本上都低于絕熱平衡溫度。這是除去區(qū)1a助燃空氣中的稀釋氮?dú)夂蛷募?助燃空氣中除去部分氮?dú)?，并將這些除去的氮?dú)饧尤氲絽^(qū)1b助燃空氣中的直接結(jié)果。
同樣也應(yīng)該注意到在第一燃燒級的第一燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒溫度和第二級開始位置的燃燒溫度基本上要高于第一燃燒級的第二燃燒區(qū)內(nèi)的溫度。
表3表示本發(fā)明方法的最終結(jié)果。本方法的主要功能是把煤中的碳?xì)浠衔镌陔x開有效工作區(qū)(排出煙囪)完全轉(zhuǎn)換成它們被完全氧化的、能量最低的形態(tài)，CO2和H2O，因此，把最大的熱釋放給了其它有用的目的。然而，本發(fā)明的方法以對環(huán)境有益的方式不僅有效地完成這個主要任務(wù)，而且，同時防止了形成有毒的硫氧化物和氮氧化物。
表3進(jìn)一步表示最初在第一級中，不是所有燃料中的碳都被燒掉了，僅有少量的轉(zhuǎn)換成了CO2和水。這是因為氧氣不足以將所有的碳氧化，甚至不足以氧化成最低的氧化物，CO。第一級是在燃料濃度很高的狀態(tài)下運(yùn)行的，以確保所有硫和氮從煤中的結(jié)合態(tài)游離出來，并分別被轉(zhuǎn)換成溫和的固態(tài)硫-鈣化合物和分子氮。
表3還表示硫在級1a首先以SO2形態(tài)出現(xiàn)(相當(dāng)于煙囪排出的)然后，在級1b內(nèi)快速地消失，硫的較佳熱力學(xué)形態(tài)是固態(tài)硫化物，在本例中，為CaS，如相對于圖2中的線B所示的那樣。實(shí)際情況，大多數(shù)的硫直接從與燃料的結(jié)合態(tài)被有效地處理成CaS。
圖2表示整個級1至級3的所有通道的運(yùn)行狀態(tài)是這樣的，氮的熱力學(xué)優(yōu)先形式總是無害的分子形式，如圖2中的線C所示。受熱離開煤的氮快速地轉(zhuǎn)換成N2并在整個以后的燃燒過程中保持其原來的狀態(tài)。表3表示出所有的這些級內(nèi)無NOx。
表3表示在級2內(nèi)碳被燃燼，而到級3的末端，CO和H2的濃度被減到很低的水平。通過熔化煤灰，防止了以固態(tài)捕獲的硫在隨后的級內(nèi)轉(zhuǎn)換成H2S和SO2，因此，把固態(tài)硫化合物包封在融渣內(nèi)，然后，通過排渣孔從燃燒器內(nèi)除去大部分載硫融渣。
最后，在級3的后部細(xì)心地控制溫度，以便于當(dāng)最后的過量空氣加入到煙氣中在鍋爐上部形成級4時，氮不會在空氣中氧化生成任何新的NOx。表3特別地表示了在級4的燃燒氣中沒有CO，H2，SO2或NOx生成。
由上可知，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明提供一種有效燃燒煤的方法，該方法能夠盡可能使結(jié)合于煤中的硫和氮少形成載硫和載氮空氣污染物或盡可能少地使氮在助燃空氣中氧化生成空氣污染物(從煙囪排出)。
一個本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的構(gòu)思范圍內(nèi)可以作出各種變化和改進(jìn)，因此，本發(fā)明并不限于上述說明，而是由權(quán)利要求確定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求書按照條約第19條的修改2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一燃燒級的第一燃燒區(qū)內(nèi)的溫度高于煤粉在標(biāo)準(zhǔn)空氣下作絕熱平衡燃燒的溫度，而隨之以后的所有燃燒級和燃燒區(qū)內(nèi)的溫度均低于該絕熱平衡溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，從要被引入到級(1a)和(2)內(nèi)的助燃空氣中分離出一部分氮?dú)猓纬伤龅牡谝还筛谎鯕怏w和第二股富氧氣體，所述分離出的氮?dú)廪D(zhuǎn)送到要被引入級(1b)內(nèi)的空氣中形成所述的第一股富氮?dú)怏w，從要被引入到級(4)內(nèi)的助燃空氣中分離出一部分氮?dú)?，形成所述的第三股富氧氣體，分離出的氮?dú)廪D(zhuǎn)送到要被引入級(1b)和級(3)之一個或二個內(nèi)的空氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述的第三富氧助燃?xì)怏w中的23-40％(重量百分比)為氧氣，所述第二富氮助燃空氣是標(biāo)準(zhǔn)空氣，回流燃料氣與所述標(biāo)準(zhǔn)空氣混合并被引入所述第三燃燒級，來控制第三燃燒級內(nèi)的初始燃燒溫度。
權(quán)利要求
1.一種使煤最高效燃燒，但空氣污染物SOx和NOx排放量為最少的方法，該方法包括把煤粉和第一富氧氣體引入到第一燃燒級的第一燃燒區(qū)(1a)內(nèi)，在其內(nèi)形成混合物，使所述的混合物在第一燃燒區(qū)內(nèi)燃燒；把能與從煤中分離出的硫反應(yīng)的粉狀固體堿性化合物和第一股富氮?dú)怏w引入到在第一燃燒級的第二燃燒區(qū)(1b)內(nèi)的來自第一燃燒區(qū)的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成混合物，使所述的混合物在第二燃燒區(qū)內(nèi)反應(yīng)，并形成固態(tài)載硫化合物；把第二富氧氣體引入到第二燃燒級(2)內(nèi)的來自第一燃燒級的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成混合物，并使混合物在所述的第二燃燒級內(nèi)反應(yīng)，基本燒掉剩余碳?xì)浠衔锂a(chǎn)并形成熔渣；將載硫化合物包封在熔渣內(nèi)，從燃燒氣流中除去大部分所述的熔渣和所述的載硫化合物，冷卻煙氣；把第二股富氮?dú)怏w引入到第三燃燒級(3)內(nèi)的來自第二燃燒級的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，使所述混合物在所述第三燃燒級內(nèi)反應(yīng)并冷卻煙氣；以及把第三股富氧氣體引入到第四燃燒級(4)內(nèi)的來自第三燃燒級的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，并在第四燃燒級中完全燃燒和冷卻混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，被引入到第二燃燒區(qū)(1b)內(nèi)的富氮?dú)怏w被引入到環(huán)繞第一燃燒區(qū)(1a)內(nèi)的中心熱芯的限定區(qū)內(nèi)并隨后以這樣的方式在區(qū)(1b)內(nèi)與來自區(qū)(1a)的燃?xì)饣旌希谷紵臒崦侯w粒離開區(qū)(1b)內(nèi)的燃燒區(qū)的壁。
6.一種使空氣污染物硫氧化物(SOx)排放量為最少的燃煤方法，其改進(jìn)包括把煤粉和富氧氣體引入到第一燃燒區(qū)內(nèi)，在其內(nèi)形成混合物，使所述的混合物在高溫下燃燒，并游離結(jié)合在煤中的硫；把能與所述的硫反應(yīng)的粉狀固體堿性化合物和富氮?dú)怏w引入到在第二燃燒區(qū)(1b)內(nèi)的來自第一燃燒區(qū)的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成混合物，使所述混合物在所述第二燃燒區(qū)內(nèi)在相對低的溫度下反應(yīng)，并因硫與所述堿性化合物反應(yīng)形成硫化物而捕獲硫。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，還包括把第二股富氧氣體引入另一燃燒級內(nèi)的來自第二燃燒區(qū)的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成混合物，所述混合物在所述的另一級內(nèi)反應(yīng)，基本上燒掉剩余的碳?xì)浠衔锊⑿纬扇墼?，把載硫化合物包封在熔渣內(nèi)，從燃燒氣流中除去大部分熔渣和載硫化合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述的第一燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒溫度為1800—2300K，第二燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒溫度是1200—1500K。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述的堿性化合物從由鈣，鎂和鈉的氧化物，氫氧化物和碳酸鹽構(gòu)成的組中選取。
10.一種使煤最高效燃燒，但有毒氣體和固態(tài)污染物的排放量為最少的四級燃燒方法，基本上由下述步驟組成(a)把煤粉和第一富氧氣體引入到第一燃燒級的第一燃燒區(qū)(1a)內(nèi)，在其內(nèi)形成一股由第一富氧氣體夾帶煤粉的混合物，使所述的混合物在第一燃燒級內(nèi)的第一燃燒區(qū)內(nèi)反應(yīng)，并將與煤化學(xué)鍵合硫和氮游離出來；(b)把粉狀固態(tài)無機(jī)堿性硫吸著劑和第一股富氮?dú)怏w引入到在第一燃燒級的第二燃燒區(qū)內(nèi)的來自第一燃燒區(qū)的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成一股混合物，使所述混合物在所述的第一燃燒級的第二燃燒區(qū)內(nèi)反應(yīng)，并通過硫與所述堿性硫吸著劑反應(yīng)生成硫化物；(c)把第二富氧氣體引入到第二燃燒級內(nèi)的來自第一燃燒級的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成一股混合物，并使所述的混合物在第二燃燒級內(nèi)反應(yīng)，熔化煤灰的渣，將所述的硫化物包封在熔渣內(nèi)，然后，從燃燒氣流中除去大部分熔融固體；(d)把第二股富氮?dú)怏w引入到第三燃燒級內(nèi)的來自第二燃燒級的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成一股混合物，使所述的混合物在所述的第三燃燒級內(nèi)反應(yīng)并冷卻該燃燒氣；(e)把第三股富氧氣體引入到第四燃燒級內(nèi)的來自第三燃燒級的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成一股混合物，并在第四燃燒級中完成燃燒和冷卻混合物以便獲取最多的有用熱量。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述的第一燃燒級內(nèi)的第一燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒溫度和第二燃燒級起始點(diǎn)的溫度高于所述第一燃燒級內(nèi)的第二燃燒區(qū)的溫度。
12.一種使煤最高效燃燒，但有毒氣體和固態(tài)污染物的排放量為最少的四級燃燒方法，基本上由以下步驟組成(a)把煤粉和第一富氧氣體引入到第一燃燒級的第一燃燒區(qū)內(nèi)，在其內(nèi)形成一股由第一富氣體夾帶煤粉的混合物，氣體中所含的氧氣量應(yīng)達(dá)到煤完全燃燒所需的化學(xué)計量的氧氣量的20-40％，使所述的混合物在第一燃燒級內(nèi)的第一燃燒區(qū)內(nèi)反應(yīng)，并將結(jié)合于煤中的硫和氮游離出來；(b)把粉狀固態(tài)無機(jī)堿性硫吸著劑和第一股富氮?dú)怏w引入到在第一燃燒級的第二燃燒區(qū)內(nèi)的來自第一燃燒區(qū)的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成一股混合物，在所述的第一股富氮?dú)怏w中的氧氣含量與來自第一燃燒區(qū)的氧氣量之和應(yīng)達(dá)到煤完全燃燒所需的化學(xué)計量的氧氣量的約35-55％，使所述的混合物在第一燃燒級的第二燃燒區(qū)內(nèi)反應(yīng)，并通過硫與所述堿性硫吸著劑反應(yīng)生成硫化物；(c)把第二富氧氣體引入到第二燃燒級內(nèi)的來自第一燃燒級的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成一股混合物，第二股富氧氣體中的氧氣含量與來自第一燃燒級的氧氣量之和應(yīng)達(dá)到煤完全燃燒所需的化學(xué)計量的氧氣量的65-85％，并使所述的混合物在第二燃燒級內(nèi)反應(yīng)，熔化煤灰的渣，將硫化物包封在熔渣內(nèi)，然后，從燃燒氣流中除去大部分熔融固體，把第二燃燒級內(nèi)的煙氣溫度冷卻400K以上；(d)把第二股富氮?dú)怏w引入到第三燃燒級內(nèi)的來自第二燃燒級的燃燒產(chǎn)物內(nèi)，在其內(nèi)形成一股混合物，第二股富氮?dú)怏w中的氧氣含量與來自第二燃燒級的氧氣量之和應(yīng)達(dá)到煤完全燃燒所需的化學(xué)計量的氧氣量的80-100％，使所述的混合物在第三燃燒級內(nèi)反應(yīng)并將煙氣冷卻300K以上；以及(e)把第三股富氧氣體引入到第四燃燒級內(nèi)的來自第三燃燒級的燃燒產(chǎn)物內(nèi)在其內(nèi)形成一股混合物，第三股富氧助燃?xì)怏w中的氧氣含量與來自第三燃燒級的氧氣量之和應(yīng)高于煤完全燃燒所需的化學(xué)計量的氧氣量的100％，并在第四燃燒級中完成燃燒和冷卻混合物，以便獲取最多的有用熱量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述的第一富氮?dú)怏w環(huán)繞第一燃燒區(qū)，并且，逐漸地與來自第一燃燒區(qū)的燃燒產(chǎn)物混合形成第二燃燒區(qū)，而所有其它燃燒級是按序排列的。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述的第一和第二富氧助燃?xì)怏w中的25-40％(重量百分比)為氧氣，第一富氮燃燒氣體中的80-95％(重量百分比)為氮?dú)猓诙坏細(xì)怏w中的80-90％(重量百分比)為氮?dú)?，第三富氧燃燒氣體中的50-100％(重量百分比)為氧氣。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，第一燃燒級的第一區(qū)內(nèi)的燃燒溫度是1800-2300K。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，第一燃燒級的第二區(qū)內(nèi)的燃燒溫度是1200-1500K。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，第二燃燒級內(nèi)的燃燒溫度是1300-2100K。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，第三燃燒級內(nèi)的燃燒溫度是1200-1800K。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，第四燃燒級內(nèi)的起始燃燒溫度是1200-1600K。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，煤粉和硫吸著劑中至少70％的固體要通過200的篩。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述的硫吸著劑從由鈣，鎂和鈉的氧化物，氫氧化物和碳酸鹽構(gòu)成的組中選取。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，從要被引入到第一燃燒區(qū)內(nèi)的助燃空氣和從將被引入到第二燃燒級內(nèi)的助燃空氣中分離出一部分氮?dú)?，形成第一股富氧氣體和第二股富氧氣體，分離出的氮?dú)馀c將被引入第二燃燒區(qū)內(nèi)的助燃空氣合并形成第一股富氮?dú)怏w，從將被引入第四級內(nèi)的助燃空氣中分離出一部分氮?dú)庑纬傻谌筛谎鯕怏w，分離出的氮?dú)馀c將被引入第二燃燒區(qū)和第三燃燒級內(nèi)的助燃空氣中，形成第一富氮空氣和第二富氮空氣。
全文摘要
一種載硫和載氮煤的多級燃燒方法，該方法燃燒效率高，并能防止形成載硫和載氮空氣污染物。在第一級內(nèi)，在高溫下燒掉燃料中的大部分碳?xì)浠衔锊⒔Y(jié)合在煤中的硫游離出來，然后，在較低的溫度下與諸如石灰石之類的固態(tài)堿性化合物反應(yīng)(級1b內(nèi))而被捕獲。在級2內(nèi)燒掉燃料中的剩余碳?xì)浠衔铮⑷刍瘹堄嗝汉外}-硫的混合物，并將硫包封在熔渣內(nèi)，從煙氣流中除去大部分熔融的化合物。在級3內(nèi)，幾乎完全使CO和H
文檔編號F23L7/00GK1119039SQ94191416
公開日1996年3月20日 申請日期1994年1月24日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月8日
發(fā)明者歐文·W·戴克馬 申請人:歐文·W·戴克馬