專(zhuān)利名稱(chēng)：減少污物排放的粉煤燃燒方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生熱和能量的燃燒煤的方法，該方法導(dǎo)致氮氧化物(NOx)的排放減少，該方法由共燃燒的粉煤與有效量的含氧有機(jī)化合物組成(優(yōu)選在鍋爐或燃爐系統(tǒng)中)。
背景技術(shù)：
工業(yè)化社會(huì)的需求及其發(fā)展需要消耗燃料以產(chǎn)生能量，這種需求趨于危害空氣質(zhì)量。在鍋爐系統(tǒng)和燃爐中燃燒以產(chǎn)生熱和能量的現(xiàn)有燃料包括餾出燃料油、殘?jiān)?6號(hào))燃料油、餾出燃料油與殘?jiān)剂嫌偷墓不煳镆约懊?。許多現(xiàn)有能源，尤其是化石燃料如石油和煤，在燃燒時(shí)釋放大量的污染物質(zhì)，比如氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)、一氧化碳(CO)和顆粒物質(zhì)(PM)。這些污染物質(zhì)導(dǎo)致呼吸道疾病和其他人體疾病。這些污染物質(zhì)也經(jīng)由酸雨、地面臭氧和溫室氣體毒害環(huán)境。
由于花費(fèi)最少并且現(xiàn)儲(chǔ)量相對(duì)豐富，煤在多數(shù)情況下是優(yōu)選的燃料。然而不幸的是，煤的燃燒產(chǎn)生大量有害的污染物質(zhì)，例如二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳和顆粒。除煤之外的燃料常對(duì)空氣質(zhì)量影響較小，但趨于更昂貴或比較短缺。
許多國(guó)家頒布了環(huán)境立法，比如美國(guó)的凈化大氣法(Clean AirAct)，以控制排入大氣中的多種化學(xué)物的量，努力保護(hù)人類(lèi)健康和環(huán)境。在當(dāng)?shù)鼗虻胤剿缴?，工業(yè)典型地由國(guó)家的或地方的環(huán)保機(jī)構(gòu)管理，這些部門(mén)就特定源排放的空氣污染物的量規(guī)定限度。
由于能量的需求增長(zhǎng)，提供這些能量而不加劇這些健康和環(huán)境問(wèn)題所涉及的壓力、沖突和成本變得日益艱難。
最近幾年中，人們做了許多工作來(lái)尋找減少NOx和SOx以及其他污染物質(zhì)從煤燃燒中排出的方法。減少NOx排放的最普通方法是使用選擇性催化還原(SCR)技術(shù)。然而，這個(gè)方法需要昂貴的催化體系構(gòu)造，以處理來(lái)自燃燒過(guò)程的廢氣。這種方法對(duì)于小的燒煤爐或鍋爐可能不具備高性?xún)r(jià)比。
另一種方法是使用分段燃燒來(lái)減少NOx，其中燃爐里存在不止一個(gè)互不相同的燃燒區(qū)域。雖然這項(xiàng)技術(shù)適用于新燃爐的構(gòu)造，但對(duì)于改造現(xiàn)有燃爐而言并不容易或便宜。
而另一種方法是在燃燒過(guò)程中使用添加劑以影響燃燒條件下的轉(zhuǎn)化，從而減少排放。在一種方法中，將鈣化合物比如CaO、CaCO3、CaF等加入燃燒區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)NOx和SOx排放的減少。然而，這項(xiàng)技術(shù)和類(lèi)似技術(shù)導(dǎo)致產(chǎn)生爐渣處理問(wèn)題。
減少NOx排放(靠近煙囪出口)的另一種方法是在燃爐或鍋爐中組合使用另一種燃料(比如燃料油)與煤，此種燃料每加熱單位值排放的NOx較少。這樣的組合可減少總NOx排放，同時(shí)提供相同或相似的總加熱值。盡管這種方法常使得燃煤設(shè)備符合空氣質(zhì)量規(guī)章，但它只是用較貴但NOx排放較少的燃料取代了煤。燃料油實(shí)際上不會(huì)減少煤本身的排放，而是減少加熱體系本身的排放。
簡(jiǎn)而言之，雖然以前嘗試了解決與化石燃料(尤其是煤)燃燒有關(guān)的排放問(wèn)題，但仍持續(xù)需要研發(fā)改善NOx排放的燃煤方法，這些方法可以高性?xún)r(jià)比改造現(xiàn)有的產(chǎn)熱裝置，比如燃爐和鍋爐。
發(fā)明概述已令人驚訝地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將粉煤和有效量含氧物的組合作為燃料燃燒以產(chǎn)生熱時(shí)，其從產(chǎn)熱裝置中提供的NOx排放減少將大于取代效果。
因此，本發(fā)明涉及當(dāng)燃燒時(shí)提供NOx排放減少的燃料組合物，其中該組合物包含粉煤；和b)選自下列物質(zhì)的含氧物甘油、甘油衍生物、丙二醇、丙二醇衍生物、乙二醇、乙二醇衍生物、脂肪酸烷基酯、脂肪醇以及它們的混合物。
本發(fā)明還涉及減少產(chǎn)熱裝置中粉煤燃燒所產(chǎn)生的NOx排放的方法，其中所述方法包括以下步驟a)將粉煤引入產(chǎn)熱裝置的燃燒室中；和將粉煤與選自下列物質(zhì)的含氧源共燃燒甘油、甘油衍生物、丙二醇、丙二醇衍生物、乙二醇、乙二醇衍生物、脂肪酸烷基酯、脂肪醇以及它們的混合物；其中含氧源燃燒所產(chǎn)生的熱按熱輸入計(jì)占共燃燒產(chǎn)生總熱的至少2.5％。
發(fā)明詳述盡管本說(shuō)明書(shū)以由特別指出并清楚地要求保護(hù)本發(fā)明的權(quán)利要求書(shū)作出結(jié)論，但據(jù)信通過(guò)以下說(shuō)明可更好地理解本發(fā)明。
除非另外指明，本文使用的所有百分比和比率均以總組合物的重量計(jì)，并且所有測(cè)量均在25℃進(jìn)行。
所有引用的參考文獻(xiàn)均全文引入本文以供參考。
本發(fā)明的組合物和方法可包括、由或基本上由本發(fā)明的組分以及本文所述的其他成分組成。本文所用的“基本上由...組成”是指組合物或組分可包括附加成分，只要所述附加成分不會(huì)在本質(zhì)上改變本發(fā)明要求保護(hù)的組合物或方法的基本和新的特性。
除非另外指明，所有的百分比、份數(shù)和比率均以本發(fā)明組合物的總重量計(jì)。除非另外指明，當(dāng)它們與所列的成分有關(guān)時(shí)，所有這類(lèi)重量均基于活性物質(zhì)的含量，因此不包括可能包含在市售原料中的載體或副產(chǎn)物。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，粉煤與所選的含氧源在燃燒區(qū)域中的共燃燒可用于減少通常與煤燃燒有關(guān)的NOx排放。
不受理論的限制，據(jù)信含氧物與燃煤協(xié)合反應(yīng)導(dǎo)致NOx排放的減少，其中NOx是由煤結(jié)構(gòu)中的氮所產(chǎn)生的。粉煤非受控燃燒所排放的NOx大約80％來(lái)源于和燃料結(jié)合的氮。不受理論的限制，據(jù)信煤與含氧物的共燃燒可用于降低與燃料結(jié)合的氮向NOx的轉(zhuǎn)化。據(jù)信含氧燃料比煤更快熱解，從而消耗氧并且在燃燒源周?chē)a(chǎn)生局部的富含燃料區(qū)域。在這個(gè)富含燃料區(qū)域中，據(jù)推測(cè)從煤中釋放出含氮分子，并且在沒(méi)有過(guò)剩氧的情況下，這些氮化合物被還原為N2。
依照本發(fā)明，當(dāng)粉煤與所選的含氧源共燃燒時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了NOx和顆粒排放的減少。
本文減少NOx的燃料組合物和方法也可包括許多種其他成分/步驟。本發(fā)明的組合物和方法將在下文中詳細(xì)描述。
A)粉煤本文所用的“粉煤”是指褐煤、無(wú)煙煤和/或生煤，它們或者已經(jīng)足夠小，或者已經(jīng)受過(guò)機(jī)械粒度減小，使得所得的“粉”物質(zhì)可以經(jīng)空氣流化通過(guò)管道送入燃爐或鍋爐的燃燒室中。
優(yōu)選地，可用于本發(fā)明的粉煤至少50％在200目(74微米)以下，更優(yōu)選地，可用于本發(fā)明的煤至少60％在200目以下，并且甚至更優(yōu)選地，至少70％在200目以下。
B)含氧源本發(fā)明的燃料組合物包含含氧源。本文所用的“含氧源”是指主要由氫、碳和氧原子組成的有機(jī)化合物?？捎糜诒景l(fā)明的含氧源包括甘油和/或甘油衍生物、丙二醇、丙二醇衍生物、乙二醇、乙二醇衍生物、天然脂肪和油的甲基酯(生物柴油)、天然脂肪和油的脂肪醇以及它們的混合物。
天然脂肪和油自身和/或衍生自這些脂肪和油的脂肪酸可作為第二含氧源任選加入到一種或多種含氧源中。
依照本發(fā)明，當(dāng)粉煤結(jié)合有效量的含氧源在比如燃爐或鍋爐的燃燒室中共燃燒時(shí)，可實(shí)現(xiàn)NOx排放的減少。優(yōu)選地，含氧源物質(zhì)與粉煤共燃燒，使得按熱輸入量計(jì)含氧源物質(zhì)占所產(chǎn)生熱輸出量的約2.5％至約40％。更優(yōu)選地，按熱輸入量計(jì)含氧源物質(zhì)占所產(chǎn)生熱輸出量的約10％至約20％?？赏ㄟ^(guò)在粉碎之前、期間和/或之后將含氧源與煤共混，或可經(jīng)不同的噴嘴注入到燃燒區(qū)域中，來(lái)產(chǎn)生共燃燒。
1.甘油和/或甘油衍生物本發(fā)明的含氧源可選自甘油和/或甘油衍生物。本文所用術(shù)語(yǔ)“甘油”或“丙三醇”可交替使用，并且是指1，2，3-三羥基丙烷或1，2，3-丙三醇。甘油典型地作為生產(chǎn)皂、脂肪酸、脂肪醇和烷基酯的副產(chǎn)物產(chǎn)生。得自這些來(lái)源的甘油通常被稱(chēng)為“天然甘油”。天然甘油的另一個(gè)可能來(lái)源是由葡萄糖、山梨醇或其他糖氫化或酶轉(zhuǎn)化為甘油和其他多元醇。而天然甘油的另一個(gè)來(lái)源是從乙醇發(fā)酵的廢品再生而得來(lái)?！昂铣伞备视彤a(chǎn)自丙烯，典型地通過(guò)烯丙基氯化物轉(zhuǎn)化為環(huán)氧氯丙烷的過(guò)程而得，如Dow Chemical所實(shí)現(xiàn)的。本文可使用得自任何來(lái)源或來(lái)源組合的甘油。
可用于本文的優(yōu)選甘油衍生物包括醚，其中1個(gè)至3個(gè)甘油羥基被醚化?？墒褂枚喾N烯烴來(lái)醚化甘油。本文所用的“烯烴”是指C2-C10不飽和的直鏈的、支鏈或環(huán)狀的烴。可用于本發(fā)明的烯烴實(shí)施例包括乙烯、丙烯、丁烯、異丁烯、戊烯、環(huán)戊烯、異戊烯、己烷、環(huán)己烯、3-甲基戊烯、2，2-二甲基丁烯、2，3-二甲基丁烯、1-庚烯、2-庚烯、3-庚烯、1-辛烯、2-辛烯、3-辛烯、4-辛烯、1-壬烯、2-壬烯、3-壬烯、4-壬烯、1-癸烯、2-癸烯、3-癸烯、4-癸烯、5-癸烯，等等。由于成本較低，C2-C6烯烴是優(yōu)選的?？墒褂孟N混合物，例如在甘油與未精制形式的烯烴混合物反應(yīng)的情況下。
用于醚化甘油的方法可在美國(guó)專(zhuān)利5,476,971中找到。
可用于本發(fā)明的另一種甘油衍生物是甘油與丙酮的反應(yīng)產(chǎn)物，具有化學(xué)式2，2-二甲基-1，3-二氧戊環(huán)-4-甲醇，一般稱(chēng)為1，2-O-異亞丙基甘油。
優(yōu)選地，本發(fā)明的甘油衍生物選自二叔丁基甘油醚、三叔丁基甘油醚、1，2-O-異亞丙基甘油或它們的混合物。更優(yōu)選地，甘油衍生物為二叔丁基甘油醚和三叔丁基甘油醚的混合物，其中大概包含80％二叔丁基甘油和20％三叔丁基甘油。
甘油醚的制備制造甘油醚的過(guò)程是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的。典型的催化劑包括有機(jī)酸催化劑比如對(duì)甲苯磺酸、酸性離子交換樹(shù)脂如Amberlyst15或稱(chēng)為沸石催化劑的結(jié)晶金屬硅酸鹽類(lèi)催化劑。催化劑含量應(yīng)該在多元醇0.1％和5％重量之間的范圍內(nèi)變化。典型的反應(yīng)溫度范圍為約50℃至約200℃，優(yōu)選約50℃至約150℃，并且更優(yōu)選約50℃至約100℃。典型的反應(yīng)壓力范圍為約275.8kPa(40psig)至約6.9Mpa(1000psig)，優(yōu)選約275.8kPa(40psig)至約206.8kPa(300psig)，并且更優(yōu)選約344.7kPa(50psig)至約1.03Mpa(150psig)。典型的烯烴多元醇摩爾比范圍為約1∶1至約5∶1，優(yōu)選約2∶1至約3∶1。典型的反應(yīng)時(shí)間為約2至約24小時(shí)，優(yōu)選約2至約10小時(shí)，并且更優(yōu)選約2至約6小時(shí)。依照該合成方法進(jìn)行的反應(yīng)進(jìn)行至轉(zhuǎn)化了約95％的多元醇。單醚、二醚和三醚的分離，可通過(guò)適當(dāng)?shù)牟襟E如液-液萃取來(lái)完成。
2.丙二醇和衍生物本發(fā)明的含氧源可選自丙二醇或其衍生物。可用于本發(fā)明的丙二醇衍生物包括雙丙甘醇和聚丙二醇，它們的分子量為約200至約1,000，例如，聚丙二醇400。本文其他的丙二醇衍生物包括二元醇醚如一、二、三丙二醇丁基醚；一、二、三丙二醇甲基醚；一、二、三丙二醇叔丁基醚；一、二、三丙二醇乙基醚；一、二、三丙二醇丙基醚；一、二、三丙二醇戊基醚；一、二、三丙二醇己基醚；和一、二、三丙二醇丙酸酯。
3.乙二醇衍生物本發(fā)明的含氧源可選自乙二醇及其衍生物?？捎糜诒景l(fā)明的乙二醇衍生物包括二乙二醇和聚乙二醇，它們的分子量為約200至約1,000，例如，聚乙二醇400。本文其他的乙二醇衍生物包括乙二醇醚如乙二醇單丁基醚(丁基纖維素溶劑)；二乙二醇單丁基醚(丁基卡必醇)；三乙二醇單丁基醚；四乙二醇單丁基醚；乙二醇己基醚；二乙二醇己基醚；乙二醇乙基醚；乙二醇甲基醚；乙二醇丙基醚；乙二醇戊基醚；二乙二醇甲基醚；二乙二醇乙基醚；二乙二醇丙基醚；二乙二醇戊基醚；三乙二醇甲基醚；三乙二醇甲基醚；三乙二醇丙基醚；三乙二醇戊基醚；三乙二醇己基醚；以及乙二醇乙酸酯。
4.脂肪酸烷基酯(生物柴油)本發(fā)明的含氧源可選自脂肪酸烷基酯，一般也稱(chēng)為“生物柴油”燃料。本文的術(shù)語(yǔ)“烷基”是指C1-C10飽和的直鏈、支鏈或環(huán)狀的烴，并且包括甲基、乙基、丙基、異丙基、正丁基、異丁基、叔丁基、戊基、環(huán)戊基、異戊基、新戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基以及它們的組合。
衍生自動(dòng)物和植物的多種油和脂肪，可用作上述脂肪酸烷基酯的來(lái)源?？捎糜诒景l(fā)明的油和脂肪的實(shí)施例包括牛肉牛油、椰子油、玉米油、棉籽油、豬油、橄欖油、棕櫚油、棕櫚仁油、花生油、大豆油、亞麻籽油、桐油、向日葵油、紅花油、低芥酸菜子油、油菜籽油、芝油、巴西棕櫚油、紫蘇油、奧蒂油、魚(yú)油、鯡油、蓖麻油、烏桕油、麻風(fēng)油、雪茄種子油、微藻油、細(xì)菌油和真菌油。雖然多種油或油的混合物可用作本發(fā)明中脂肪酸烷基酯的來(lái)源，但尤其適用的是大豆油、低芥酸菜子油、油菜籽油、向日葵油和回收(廢)烹飪油或油脂。
優(yōu)選地，本文所用的脂肪酸烷基酯選自大豆油、黃油、油菜籽油以及它們的混合物的甲基酯。
5.脂肪醇本發(fā)明的含氧源可選自油和/或脂肪的脂肪醇。衍生自動(dòng)物和植物的多種油和脂肪可用作上述脂肪醇的來(lái)源。可用于本發(fā)明的油和脂肪的實(shí)施例包括牛肉牛油、椰子油、玉米油、棉籽油、豬油、橄欖油、棕櫚油、棕櫚仁油、花生油、大豆油、亞麻籽油、桐油、向日葵油、紅花油、低芥酸菜子油、油菜籽油、芝油、巴西棕櫚油、紫蘇油、奧蒂油、魚(yú)油、鯡油、蓖麻油、烏桕油、麻風(fēng)油、雪茄種子油、微藻油、細(xì)菌油和真菌油。雖然多種油或油的混合物可用作本發(fā)明脂肪醇的來(lái)源，但尤其適用的是椰子、棕櫚仁、棕櫚、牛油以及它們的混合物。
任選第二含氧物除了本文所用的含氧物之外，含氧的其他油或油基添加劑如脂肪酸釜?dú)堖€可以作為第二含氧物被包括在本文共燃燒中。上述物質(zhì)可進(jìn)一步減少NOx排放。
可使用衍生自動(dòng)物和植物的多種油和脂肪?？捎糜诒景l(fā)明的油和脂肪的實(shí)施例包括牛肉牛油、椰子油、玉米油、棉籽油、豬油、橄欖油、棕櫚油、棕櫚仁油、花生油、大豆油、亞麻籽油、桐油、向日葵油、紅花油、低芥酸菜子油、油菜籽油、芝油、巴西棕櫚油、紫蘇油、奧蒂油、魚(yú)油、鯡油、蓖麻油、烏桕油、麻風(fēng)油、雪茄種子油、微藻油、細(xì)菌油和真菌油。衍生自任何這些油和/或脂肪或它們的組合的脂肪酸，可作為第二含氧物用于本文。雖然多種油或油的混合物可用作本發(fā)明脂肪酸的來(lái)源，但尤其適用的是大豆油、牛油、回收(廢)烹飪油或油脂。
C)產(chǎn)熱裝置本文所用的“產(chǎn)熱裝置”是指煤在其中燃燒以產(chǎn)生熱能的燃燒裝置。產(chǎn)生的熱能其后可被用于加熱水或產(chǎn)生蒸氣，如在鍋爐或燃爐中。合適的產(chǎn)熱裝置包括粉煤在其中燃燒的燃爐和鍋爐。該熱可被用來(lái)產(chǎn)生用于推動(dòng)發(fā)電渦輪的蒸氣，或提供熱以操縱制造過(guò)程，或?yàn)榻ㄖ锕帷?br> 可用于本發(fā)明方法的鍋爐優(yōu)選包括以下系統(tǒng)中的至少一種，并且可包括例如送風(fēng)系統(tǒng)、供水和冷卻系統(tǒng)、燃燒室、燃料供給裝置、煙氣冷卻室、洗滌器、空氣感應(yīng)通氣風(fēng)扇、煙囪，或這些部件中的任何兩個(gè)或多個(gè)的組合。
優(yōu)選地，燃燒器是低NOx燃燒器，其中系統(tǒng)已經(jīng)優(yōu)化為可能使用粉煤燃料的最低NOx排放。
為了開(kāi)始燃燒，燃燒器必須有一個(gè)可用空氣源，該氣源一般被稱(chēng)為“主空氣流”。優(yōu)選地，有至少一個(gè)補(bǔ)助空氣流被注入到燃燒器空氣的下曳氣流中。上述補(bǔ)助空氣流可為二次和/或三次空氣流。這些補(bǔ)助空氣流可包括二次空氣、欠火空氣、簾空氣或它們的混合物。在優(yōu)選的燃燒器/空氣裝置中，主空氣與煤一起進(jìn)入燃燒器，隨后是二次和三次空氣流。優(yōu)選地，下曳氣流中的二次空氣位于距燃燒器的距離為距燃?xì)馊狱c(diǎn)距離的65％處?；瘜W(xué)計(jì)量的比率為煤完全燃燒所用實(shí)際空氣/理論空氣比率。
在優(yōu)選的產(chǎn)熱裝置中，燃燒器空氣分配如下主空氣，24％化學(xué)計(jì)量的比率(SR)＝0.2二次空氣，25％ SR＝0.22三次空氣，51％ SR＝0.43燃燒器中的全部空氣為SR＝0.85為了減少腐蝕和/或不可取的副產(chǎn)物沉積，化學(xué)計(jì)量比率優(yōu)選為至少約0.8。
D)共燃燒本發(fā)明的方法包括粉煤與含氧源在產(chǎn)熱裝置中的共燃燒。本文所用的“共燃燒”是指一種過(guò)程或方法，通過(guò)這種過(guò)程或方法將第二燃料(本文為含氧源)注入到產(chǎn)熱裝置的燃燒室中，為了至少可以稍微同時(shí)燃燒，與主要燃料(本文為粉煤)同時(shí)和/或在同樣的時(shí)間注入。這兩種燃料優(yōu)選通過(guò)不同的注入裝置或系統(tǒng)引入燃燒室。
通過(guò)測(cè)定由含氧物和煤各自產(chǎn)生的污染物質(zhì)排放濃度，可將污染物質(zhì)排放水平維持在或低于管制限度。然后產(chǎn)能者可根據(jù)NOx(或其他污染物質(zhì))，計(jì)算產(chǎn)生所需排放濃度(例如，管制限度內(nèi)的排放濃度)所需含氧物和燃料的濃度比率，然后燃燒至少那么多的含氧物與粉煤的組合。可基于含氧物的熱輸入百分比作為組合燃料全部(固定的)熱輸入的函數(shù)，計(jì)算含氧物的必要濃度。本文所用術(shù)語(yǔ)“共燃燒比率”是指由含氧源燃燒產(chǎn)生的熱量占總熱量的百分比。優(yōu)選地，含氧源與煤的共燃燒比率為約2.5％至約50％，優(yōu)選約10％至約30％。
在優(yōu)選的產(chǎn)熱裝置或體系中，含氧源為液態(tài)，并且通過(guò)雙流體噴嘴進(jìn)料，該噴嘴將預(yù)混的燃料/空氣噴為霧狀。液體進(jìn)口與煤進(jìn)口是分開(kāi)的，但基本上同時(shí)注入。
任選方法步驟/改造為了受益于NOx排放的減少，本發(fā)明的方法不需要額外的設(shè)備改造或后處理裝置，如空氣分段輸入裝置、洗滌器、選擇性非催化還原單元或選擇性催化還原單元。然而，如果需要這些以進(jìn)一步減少NOx排放，上述設(shè)備改造或后處理裝置可以并入本發(fā)明的方法。
1)空氣分段輸入本發(fā)明的方法可任選地包括空氣分段輸入。本文所用的“空氣分段輸入”是指將“分段”的燃燒空氣沿燃燒區(qū)域分段引入的已知方法，該方法與將所有空氣在煤進(jìn)入燃爐的同時(shí)引入相反。有幾個(gè)專(zhuān)利描述了分段燃燒技術(shù)，該技術(shù)可進(jìn)一步減少氮氧化物從含氮燃料燃燒中的排放。例如，參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利3,727,562；美國(guó)專(zhuān)利4,343,606；以及本文所引用的文獻(xiàn)。
2)選擇性催化還原單元選擇性催化還原單元為燃燒后NOx控制技術(shù)，該技術(shù)理論上能夠提供超過(guò)90％的NOx減少(實(shí)際上到今天為止大于50％)。通過(guò)將氨和/或尿素注入到燃料氣中，然后使燃料氣經(jīng)過(guò)反應(yīng)器中的多層催化劑，可實(shí)現(xiàn)NOx的減少。氨和/或尿素與NOx在催化劑的表面上進(jìn)行反應(yīng)，形成氮分子和水。
優(yōu)選地，本發(fā)明的方法包括用任選的改造來(lái)處理燃料氣的進(jìn)一步的步驟，該改造選自空氣分段輸入、選擇性非催化還原單元、選擇性催化還原、洗滌器以及它們的組合。然而，任何已知的與產(chǎn)熱裝置有關(guān)的改造或方法都可加入到本發(fā)明的方法中。
實(shí)施例為示范本發(fā)明的實(shí)施方案，使用以下體系燃燒體系-粉煤燃燒測(cè)試爐，被稱(chēng)為“L1500”，為額定5MM BTU/hr(1.5MW)爐，設(shè)計(jì)用于模擬工業(yè)燃燒條件。水平加燃料燃燒室的內(nèi)部尺寸為271×271cm(42×42平方英寸)，并且長(zhǎng)40英尺。該壁具有多層結(jié)構(gòu)，以將溫度從燃燒側(cè)的約1648℃(3000)降到外殼側(cè)的60℃(140)以下。燃燒室為使用標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)，并且由12個(gè)部分制成，每部分都有許多入口和任選冷卻面板。這使得燃料氣溫度分布可以被調(diào)節(jié)，以更好地模擬工業(yè)設(shè)備。入口可用于外部觀察、燃料和/或空氣注入，以及產(chǎn)品取樣。
整個(gè)燃燒設(shè)備包括送風(fēng)系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)、L1500燃燒室、燃料供給裝置、燃料氣冷卻室、洗滌器，以及感應(yīng)通氣風(fēng)扇和煙囪。
L1500中的燃燒器為低NOx設(shè)計(jì)，具有主空氣、二次空氣和三次空氣輸入，這些空氣可以根據(jù)流速、預(yù)熱溫度和漩渦度(對(duì)于二次和三次空氣調(diào)風(fēng)器)獨(dú)立控制。二次空氣可在燃爐的下游注入。
煤通過(guò)燃燒器的中心注入到燃爐中。煤注入器由內(nèi)置于7.6cm(3英寸)管內(nèi)的3.81cm(1.5英寸)管組成。煤通過(guò)兩管之間的環(huán)面給料；3.81cm(1.5英寸)管子擔(dān)當(dāng)鈍體。
為進(jìn)行本文的測(cè)試，將燃燒器體系進(jìn)行改造，使得可注入液體燃料。雙流體(油+空氣)霧化噴嘴通過(guò)3.81cm(1.5英寸)鈍體管插入到燃燒器中心，使得噴嘴的頂端從3.81cm(1.5英寸)管末端后移大約一英寸。將液體燃料和空氣預(yù)混，并且通過(guò)注入器頂端的六個(gè)小孔給料。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，液體被充分霧化，并且直接給料進(jìn)入煤流的中心。
液體燃料從平行連接的兩個(gè)37.8L(10加侖)壓力罐給料。將壓縮空氣應(yīng)用到罐上，將液體從罐中推出，經(jīng)由數(shù)字式流量計(jì)進(jìn)入燃燒器。調(diào)節(jié)空氣壓力可改變液體流速。
分析系統(tǒng)-可從燃爐中的任何兩個(gè)位置取樣。對(duì)于本文的數(shù)據(jù)，它們可從部分6取樣，相應(yīng)于大約兩秒的停留時(shí)間，并且對(duì)于工業(yè)粉煤鍋爐是有代表性的。樣本也可以在燃爐出口處采集，相應(yīng)于約5秒的停留時(shí)間。采樣系統(tǒng)包括用于移除顆粒的過(guò)濾器和用于冷凝出水的冷卻器。
使用熱電公司42C型高級(jí)化學(xué)微量冷光分析儀測(cè)定NO和NO2。
使用Western Bovar 721 AT2分析儀分析SO2。這種分析儀具有0至1000ppm SO2的范圍，該范圍低于爐中所產(chǎn)生的濃度。因此，將樣本用氮?dú)庀♂尀?∶1，并且校正測(cè)定的SO2信號(hào)，以給出正確值。
PM10顆粒量度使用TSI 8520型DusTrak氣溶膠監(jiān)測(cè)器進(jìn)行。該儀器使用激光散射來(lái)測(cè)量小于具體尺寸的顆粒的數(shù)目。
基于使用上文所陳述的燃燒體系和分析系統(tǒng)，以下實(shí)施例舉例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施，但并不限制它的范圍如從下文的實(shí)施例表可以看到，如果實(shí)施中的唯一機(jī)理是通過(guò)加入含氧物達(dá)到稀釋煤所排放的NOx，預(yù)期排放將隨共燃燒比率的增加而線(xiàn)性減少。上述關(guān)系可由SO2排放速率舉例說(shuō)明。因?yàn)楹跷锊缓?，?dāng)含硫煤被無(wú)硫含氧物取代時(shí)，SO2排放數(shù)據(jù)顯示了對(duì)所排放SO2的直接線(xiàn)性響應(yīng)。然而，NOx和PM10速率顯示非常不同并且異常的響應(yīng)。當(dāng)含氧物的共燃燒比率增加時(shí)，出乎意料不成比例地出現(xiàn)了NOx和PM10排放的較大減少。
按熱輸入計(jì)，共燃燒比率優(yōu)選為20％的含氧物，可導(dǎo)致NOx減少63.4％，并且PM10減少95.1％。
實(shí)施例1煤與含氧物主要燃料 Illinois #5煤含氧物 80％二叔丁基和20％三叔丁基甘油醚的混合物總熱量輸入 4百萬(wàn)BTU/hr燃燒器條件一次空氣 24％的燃燒器空氣，SR＝0.20二次空氣 25％的燃燒器空氣，SR＝0.22三次空氣 51％的燃燒器空氣，SR＝0.43全部空氣輸入 SR＝0.85二次空氣 SR＝0.30全部空氣 SR＝1.15共燃燒比率(熱％) 2.5，5，10，15，20，30，40
實(shí)施例1所得的排放
實(shí)施例2含氧物和煤主要燃料 Illinois #5煤含氧物 大豆甲基酯總熱量輸入 4百BTU/hr燃燒器條件一次空氣 24％的燃燒器空氣，SR＝0.20二次空氣 25％的燃燒器空氣，SR＝0.22三次空氣 51％的燃燒器空氣，SR＝0.43全部空氣輸入 SR＝0.85二次空氣 SR＝0.30全部空氣 SR＝1.15共燃燒比率(熱％) 2.5，5，10，15，20，30，40，50實(shí)施例2所得的排放
盡管說(shuō)明和描述了本發(fā)明的具體實(shí)施方案，但對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，在不背離本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍的情況下可作出許多其他的變化和修改。因此，有意識(shí)地在附加的權(quán)利要求書(shū)中包括屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的所有這些變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種燃燒時(shí)減少NOx排放的燃料組合物，所述組合物包含a)粉煤；和b)含氧物，所述含氧物選自甘油、甘油衍生物、丙二醇、丙二醇衍生物、乙二醇、乙二醇衍生物、脂肪酸烷基酯、脂肪醇以及它們的混合物。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料組合物，其中所述組合物在產(chǎn)熱裝置中的共燃燒產(chǎn)生熱輸入，并且其中約2.5％至約40％的熱輸入由所述含氧物的燃燒產(chǎn)生。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料組合物，其中所述熱輸入的約10％至約20％由所述含氧物的燃燒產(chǎn)生。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料組合物，其中所述燃料組合物還包含第二含氧物，所述第二含氧物選自油、脂肪、脂肪酸以及它們的混合物。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料組合物，其中所述甘油衍生物選自甘油醚，其中所述1至3個(gè)甘油羥基被醚化。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料組合物，其中所述甘油衍生物選自二叔丁基甘油醚、三叔丁基甘油醚、1，2-O-異亞丙基甘油以及它們的混合物。
7.如權(quán)利要求1所述的燃料組合物，其中所述含氧物選自脂肪酸的甲基酯以及它們的混合物。
8.一種減少由產(chǎn)熱裝置中粉煤燃燒所產(chǎn)生的NOx排放的方法，其中所述方法包括以下步驟a)將粉煤引入到所述產(chǎn)熱裝置的燃燒室中；和b)將所述粉煤與含氧源共燃燒，所述含氧源選自甘油、丙二醇、丙二醇衍生物、乙二醇、乙二醇衍生物、脂肪酸烷基酯、脂肪醇以及它們的混合物；其中所述含氧源燃燒產(chǎn)生的熱按熱輸入計(jì)占所述共燃燒產(chǎn)生總熱的至少2.5％。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述含氧源選自甘油衍生物、丙二醇衍生物、乙二醇衍生物、脂肪酸烷基酯以及它們的混合物。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述甘油衍生物選自甘油醚，其中所述1個(gè)至3個(gè)甘油羥基被醚化。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述甘油衍生物選自二叔丁基甘油醚、三叔丁基甘油醚、1，2-O-異亞丙基甘油以及它們的混合物。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述含氧物選自脂肪酸的甲基酯以及它們的混合物。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述產(chǎn)熱裝置為燃煤鍋爐。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述產(chǎn)熱裝置為燃煤燃爐。
15.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述粉煤和所述含氧源通過(guò)不同的注入裝置被引入所述燃燒室中。
16.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述粉煤和所述含氧源基本上同時(shí)燃燒。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述鍋爐包括送風(fēng)系統(tǒng)、燃?xì)饫鋮s室和煙囪。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其中所述鍋爐包括與所述燃燒室同位的低NOx燃燒器，并且還包括在燃燒器空氣下游燃燒的空氣，所述空氣選自二次空氣流、三次空氣流以及它們的混合物。
19.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述含氧源的燃燒產(chǎn)生的熱按熱輸入計(jì)占所述共燃燒產(chǎn)生總熱的約2.5％至約40％。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述含氧源為二叔丁基甘油醚和三叔丁基甘油醚的混合物。
21.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述組合物還包含第二含氧源，所述第二含氧源選自油、脂肪、脂肪酸以及它們的混合物。
全文摘要
燃料組合物包含(a)粉煤；和(b)含氧源，所述含氧源選自甘油、甘油衍生物、丙二醇、丙二醇衍生物、乙二醇、乙二醇衍生物、脂肪酸烷基酯、脂肪醇以及它們的混合物。減少由產(chǎn)熱裝置中粉煤燃燒所產(chǎn)生的NOx排放物的方法，其中該方法包括以下步驟(a)將粉煤引入產(chǎn)熱裝置的燃燒室；并且(b)將粉煤與含氧源共燃燒，所述含氧源選自甘油、甘油衍生物、丙二醇、丙二醇衍生物、乙二醇、乙二醇衍生物、脂肪酸烷基酯、脂肪醇以及它們的混合物，其中含氧源燃燒所產(chǎn)生的熱按熱輸入計(jì)占共燃燒產(chǎn)生總熱的至少2.5％。
文檔編號(hào)C10L9/10GK1816610SQ200480018727
公開(kāi)日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2004年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月2日
發(fā)明者D·B·阿普爾拜, J·K·斯普納-懷曼 申請(qǐng)人:寶潔公司