专利名称：排气处理和热回收系统的制作方法
排气处理和热回收系统相关申请的交叉引用
本申请要求2009年9月25日提交的James ff. Birmingham和Kevin J. 0’ Boyle的美国申请序列号 61/245，822 “Exhaust Process and Heat Recovery System (排气处理和热回收系统)”的优先权并以不与本申请矛盾的程度并入优先权申请的材料。背景
I.发明领域
本发明总的涉及用于化石燃料燃炉的排气处理和热回收(EPHR)系统和方法。更具体来讲，本发明涉及EPHR系统，其中将碱性颗粒引入烟道气流内以允许额外热量提取和减少空气预热器设备的结垢。2.相关现有技术讨论
许多发电系统由蒸汽提供动力，蒸汽由化石燃料比如煤或石油燃烧的熔炉产生。典型的发电系统一般描述于图IA显示的图中。图IA显不发电系统10,它包括蒸汽产生系统25和排气处理和热回收系统(EPHRS) 15和排气塔90。蒸汽产生系统25包括熔炉26。EPHRS 15可包括再生性空气预热器50、颗粒清除系统70和洗涤系统80。提供强制通风(FD)扇60以将空气经入口 51引入空气预热器50的冷侧。颗粒清除系统70可包括例如静电沉积器(ESP)和/或纤维过滤系统(袋滤室)等。洗涤系统80可包括例如湿或干烟道气除硫(WFGD/DFGD)系统。再生性空气预热器50帮助增加熔炉26的热效率，从而减少其操作成本和温室气体的排放。空气预热器50是设计用于在将空气引入另一种过程比如熔炉26的燃烧室之前加热空气的设备。有不同类型的再生性空气预热器，包括那些包含移动或旋转热交换元件的空气预热器，比如Ljungstix)!/空气预热器。其它再生性空气预热器利用固定的热交换元件和/或固定于刚性空气和/或气体管道的内旋转罩或管道网络。图IB和图IC是总的描述常规旋转再生性预热器50的图。典型的空气预热器50具有可旋转安装在外罩524中的转子512。转子512由从转子柱518向转子512外周放射状延伸的隔膜或隔板516形成。隔板516限定它们之间的区室520。这些隔板516含有热交换元件篮状组件522。每个篮状组件522包括一个或多个特别形式的热传递表面片，也称为热交换元件542。热交换元件542的表面积显著，通常在几千平方英尺量级。在典型的旋转再生性空气预热器50中，烟道气流FGl和燃烧空气流Al，从空气预热器50的对端/侧进入转子512，以相反方向通过罩在篮状组件522内的热交换元件542。因此，冷空气入口 51和冷却烟道气出口 54在空气预热器50 —端(一般称为冷端544)，而热烟道气入口 53和加热空气出口 52在空气预热器50的相反一端(一般称为热端546)。扇形板536邻近转子512的上和下表面跨过外罩524延伸。扇形板536将空气预热器50分成空气部分538和烟道气部分540。图IB和图IC显示的箭头表示烟道气流FG1/FG2和空气流A1/A2通过转子512的方向。通过烟道气入口 53进入的烟道气流FGl将热量传递至篮状组件522中的热交换元件542，篮状组件522安装在位于烟道气部分540中的区室520内。然后使加热的篮状组件522旋转至空气预热器50的空气部分538。然后将篮状组件522的贮存热量传递至通过空气入口 51进入的空气流Al。冷烟道气流FG2通过烟道气出口 54离开预热器50，而加热空气流A2通过空气出口 52离开预热器50。再参考
图1A，空气预热器50加热经过FD扇60引入的空气。从熔炉26燃烧室排放的烟道气(FGl)由空气预热器经入口 53接收。从烟道气(FGl)回收热量，并传递至输入空气(Al)。将加热的空气(A2)进料至熔炉26的燃烧室内以增加熔炉26的热效率。在熔炉26燃烧过程期间，用于燃烧熔炉26的燃料中的硫氧化为二氧化硫(SO2)。在燃烧过程之后，一定量SO2进一步氧化为三氧化硫(SO3)，通常1%-2%量级的量变成S03。 SO2和SO3将从熔炉26的燃烧室通过并进入烟道，成为烟道气FGl的一部分，然后将烟道气FGl从蒸汽产生系统25排放，由空气预热器50的入口 53接收。在适当温度范围氧化铁、钒及其它金属的存在让这种氧化发生。选择性催化还原(SCR)也广泛已知将烟道气FGl中的一部分SO2氧化为SO3。因为热量被空气预热器从烟道气FGl回收/提取，所以烟道气FGl的温度下降。可期望从烟道气除去最大量的热量并将其传递至到达熔炉或燃料粉碎磨的加热空气以优化发电厂的热效率。额外的热量提取允许设计/使用颗粒收集设备，气态清除设备，烟道气出口下游的管道和塔(设定为较低温度范围和减小的体积流率)。较低温度设定和较低流率意味着不需要提供能够耐受较高温度和较高流率的设备就可实现大量成本节约。但是，较低烟道气温度范围可导致可能存在于烟道气中的三氧化硫(SO3)或硫酸蒸汽(H2SO4)过度冷凝。因此，硫酸可蓄积在空气预热器50的热交换元件522表面上。可将烟道气流中的飞灰通过存在于热传递表面上的冷凝酸收集。这种酸使飞灰更紧密地粘至表面。这种“结垢”过程妨碍空气和烟道气流过空气预热器，导致通过空气预热器的压降增加并且热传递效率降低。在一段时间之后，酸和飞灰在空气预热器50表面上的蓄积变得如此之大以致必须将它们清除以维持空气预热器的热性能和可接受的压降。这通常通过在空气预热器操作期间用压缩空气或蒸汽定期(例如每天3次)“吹灰”热传递表面以除去蓄积在热传递表面上的沉积物完成。此外，如果需要，可在关闭熔炉26和进行维护操作时蒸汽产生系统25停机期间进行用水洗涤空气预热器。降低烟道气出口温度的潜在益处是可设计颗粒清除系统70和洗涤设备80用于较低操作温度。较低温度烟道气也具有较低体积流率。烟道气温度、体积和酸度的降低减少操作和资本成本，所述成本与设计用于较高体积流率、较高操作温度或烟道气中较高SO3/H2SO4浓度的设备有关。如果没有将酸冷凝和/或中和以防止热传递表面过度结垢，这些情况将存在。一旦烟道气排气已通过颗粒清除和洗涤操作，则它准备好引入排气塔90以升高和分散在广阔地理区域。从烟道气提取热量是有益的，且用于执行典型工厂中的各种操作。但是，在现有烧煤和/或油的蒸汽产生系统中，从排气气流除去额外的热量是昂贵的。在不考虑烟道气中H2SO4蒸汽额外冷凝的情况下过度降低烟道气温度，将导致空气预热器中热传递表面过度结垢。因此，在工业上需要解决上述缺陷和不足。发明概述本发明可具体化为使用具有烟道气入口 253、烟道气出口 254和多个热交换表面542的空气预热器250从具有酸性材料和烟道气颗粒的烟道气流FGl提取热量的方法，所述方法包含以下步骤
接收烟道气流FGl进入空气预热器250的烟道气入口 253内；
计算酸材料在烟道气FGl中通过的质量流率；
计算将注入烟道气流FGl以中和酸性材料的碱性颗粒275的质量流率；
将具有粒度分布的碱性颗粒275以计算的质量流率注入空气预热器250上游的烟道气 流；
计算颗粒的蓄积程度；
根据颗粒的蓄积程度，调节以下至少一项注入烟道气的碱性颗粒275的大小分布，和将碱性颗粒275注入烟道气内的质量流率；
从而减少烟道气颗粒在热交换元件542上的蓄积，加上减少空气预热器内的结垢，从而增加空气预热器250的热效率。结垢的程度可通过测量从烟道气入口 253跨过空气预热器250至烟道气出口 254的压降并将测量的压降与至少一个预定阈值比较而计算。
当使用具有转子的旋转空气预热器时，所述转子通过由不同电压V的电流I提供动力的马达旋转，结垢的程度可通过以下计算测量电压V和电流I，将在测量电压的测量电流与相同电压的预定电流比较以确定电流差。将电流I差与预存转化信息比较以确定结垢的程度。本发明还可具体化为减少空气预热器250结垢的方法，所述空气预热器250用于从产生具有酸性材料和烟道气颗粒的烟道气的熔炉26回收热量，所述方法包含以下步骤
提供与所述熔炉26连接的空气预热器250以在烟道气入口 253接收所述烟道气FGl，使它们经过多个热交换板542，将所述烟道气排出烟道气出口 543 ；
感知或计算所述烟道气中酸性材料的质量流率；
计算充分中和烟道气中的酸性材料需要的碱性颗粒的质量流率；
将碱性颗粒275以计算的质量流率注入进入空气预热器250的烟道气内；
感知从空气预热器250的烟道气入口 253至烟道气出口 254的压降；
当感知的压降大于预定阈值时增加碱性颗粒275注入烟道气内的质量速率，且当感知的压降低于预定阈值时降低碱性颗粒275注入烟道气内的质量速率；和
在熔炉26操作期间重复以上步骤以减少空气预热器250结垢，让其更有效地提取热量。由于降低热交换器的气体出口温度，可从烟道气提取超过用当前空气预热器设计技术实现水平的额外的热量，而在空气预热器内无过度结垢或腐蚀活性，如果S03/H2S04未冷凝和被注入空气预热器上游的烟道气流的碱性材料中和，所述过度结垢或腐蚀活性将存在。本发明还可具体化为从产生具有酸蒸汽和夹带的烟道气颗粒的加热烟道气FGl的熔炉26更有效地回收热量的排气处理和热回收(EPHR)系统215，所述系统215包含
与所述熔炉26连接的空气预热器250，所述空气预热器250具有
适合接收所述烟道气FGl的烟道气入口 253，
用于从烟道气提取热量的多个热交换板522 ;和
用于在烟道气流FG2已通过热交换板522后将其排出的烟道气出口 254 ；监测烟道气内物理和化学条件的烟道气传感器310 ；
适合测量从空气预热器入口 253至空气预热器出口 254的压降的压降传感器301、
303 ；
响应于来自另一个设备的控制信号的碱性注射系统276，用于当启动时将碱性颗粒275引入空气预热器250上游的烟道气流FGl ;和
适合以下的PLC控制器305 :根据感知的烟道气条件计算碱性颗粒275的质量流率；和控制碱性注射系统276以注射经计算质量流率的碱性颗粒275以中和烟道气中的酸性材料。本发明还可具体化为有效的低成本熔炉系统，其具有 a.产生加热烟道气的化石燃料熔炉；
b.与熔炉连接的空气预热器，其适合接收加热烟道气，中和加热烟道气中的酸，提取加热燃烧空气用于熔炉，提取额外的加热空气用于系统其它地方，将烟道气温度降低至低于烟道气酸露点，减小离开预热器的烟道气体积；和
c.与空气预热器连接并位于其下游的烟道气处理设备，与不具备中和烟道气酸的空气预热器的系统所使用的那些相比更紧凑和成本更低。本发明的其它系统、方法、特征和优点将对检查了以下附图和详述后的本领域技术人员显而易见。旨在所有此类另外的系统、方法、特征和优点包括在本说明书中，在本发明范围内，并受所附权利要求保护。附图简述
通过参考附图，本领域技术人员可更好地理解本发明，且其众多目的和优点将变得显而易见，附图中
图IA是描述典型的蒸汽产生系统和关联排气处理设备的图。图IB是描述常规旋转再生性空气预热器的部分断开的透视图。图IC是描述图IB的常规旋转再生性空气预热器的又一透视图的示意图。图2A是总的描述本发明排气处理和热回收系统的一个实施方案的图。图2B是总的描述本发明排气处理和热回收系统的又一个实施方案的图。图3是描述具有辅助空气入口的空气预热器的一个实施方案的示意图。发明描述
本发明的目的是提供当烟道气通过再生性空气加热器的气体侧时从中提取更多热量，而再生性空气预热器设备下游的热传递表面不变得过度结垢或腐蚀的装置。本发明涉及控制冷凝和蓄积在空气预热器热传递元件上的酸的量，从而改善空气预热器从来自例如熔炉燃烧室的烟道气流FGl提取热量的功效。本发明又一方面涉及控制热传递表面上沉积物的“湿度”以便可使沉积物维持在允许在空气预热器操作中容易将其(沉积物)清除的状态。本发明又一方面涉及配置以允许分布从烟道气流FGl提取的额外热量的空气预热器，因为空气预热器从烟道气流提取热量的效率增加。进入空气加热器的SO3浓度减少，加上当烟道气通过空气预热器时从中提取热量的额外装置，将具有几个益处(I)离开空气加热器的烟道气体积流量将降低，(2)空气侧流的预热温度(一般称为初级和次级空气)可增加，和(3)预热空气形式的额外能量可用于工厂其它地方。这种额外能量的潜在用途是预热锅炉进料水，干燥粉碎的煤，将粉碎的煤运输至火炉，供应能量至燃烧后CO2捕获系统，再加热烟道气以减少可见水蒸气烟柱或者用于发电厂内需要热量之处的其它用途。图2A和图2B是总的描述本发明排气处理和热回收系统215的实施方案的图。图2A是描述EPRS 215的一个实施方案的图，所述EPRS 215包括碱性注射系统276，以在FGl经入口 253被空气预热器250接收之前将碱性颗粒275吸附剂交互式引入烟道气流FGl内。碱性注射系统276具有选择性引入吸附剂中碱性颗粒275各种大小分布的能力。在本实施方案中，EPRS 215包括再生性空气预热器250、颗粒清除系统70和洗涤系统80。提供FD扇60以将空气流Al经入口 251引入空气预热器250的冷侧。颗粒清除系统70可包括例如静电沉积器(ESP)和/或纤维过滤系统(袋滤室)等。洗涤系统80可包括例如湿或干烟道气除硫(WFGD/DFGD)系统。在EPRS 215操作期间，在空气预热器250烟道气上游的操作温度，烟道气FGl中的三氧化硫(SO3)和水蒸气(H2O)可合并以形成酸蒸汽。一旦含有这种酸蒸汽的烟道气到达空气预热器250，当它冷却至低于其酸露点温度时，它将接触、冷凝和蓄积在空气预热器 250各种表面上，包括热传递元件(图IB的542)。冷凝酸的这种蓄积将通过收集和保留飞灰颗粒在热传递表面的表面上而“弄脏”空气预热器操作，因此妨碍烟道气FGl流过空气预热器250。这导致通过空气预热器的过度压降和从烟道气流FGl至输入空气流Al的有效热传递的整体降低。可将酸蒸汽和冷凝酸统称为“酸性材料”。本发明一个实施方案采用监测烟道气物理和化学参数的烟道气传感器310。根据其用途它们可位于入口或出口，或者空气预热器250内其它位置。程序化逻辑控制器(“PLC控制器”)305读取传感器信息并确定适当的质量流率以中和烟道气中的酸性材料。这种质量流率还可通过由空气和燃料燃烧条件计算确定，所述条件从熔炉通过用于化石燃料燃烧熔炉的各种数据通讯方法传送。还可控制碱性注射系统276，使其将经计算的质量流率的正确大小的碱性材料注入烟道气入口 253上游的烟道气。将碱性颗粒275，比如粉状石灰石或其它碱性材料作为吸附剂引入空气预热器51上游的烟道气流FGl (即在烟道气流FGl到达空气预热器50之前)。这些颗粒充当酸蒸汽在烟道气流FGl内的冷凝部位，然后发挥中和冷凝酸的功能。当烟道气冷却至将引发酸蒸汽冷凝的温度时在空气预热器内发生酸的冷凝和中和。将充分质量数量，例如碱性颗粒与飞灰浓度的质量比为1%_25%，引入烟道气流FGl内(当其通过空气预热器250时)使大多数酸中和。但是，严格根据化学计量将碱性材料引入烟道气流内不能最有效地控制空气预热器250内因酸累积引起的结垢。为了更有效地控制空气预热器内酸的产生和累积，建议引入烟道气流FGl内的碱性颗粒具有不同大小(直径)范围。通过测量烟道气通过空气预热器内热传递表面的温度梯度，和控制引入烟道气流FGl内的碱性颗粒的质量数量和大小分布，可以控制酸冷凝和保留在热传递表面上和在烟道气中(当烟道气通过空气预热器250时)的程度。由煤的典型燃烧产生的飞灰颗粒的大小在低于0. 01微米至高于100微米变化。飞灰或烟道气流FGl中其它颗粒材料的较小直径颗粒，一般小于5微米直径，趋向于为可能存在于烟道气流FGl中的H2SO4蒸汽的冷凝和潜在中和提供良好核心。
如果冷凝在热传递表面上产生在空气预热器操作期间通过采用的清洁方法不能除去的沉积物，沉积物将蓄积至空气预热器不能维持正常操作的点。但是，当冷凝过程与中和过程组合(当将充分质量数量的适当粒度分布的碱性材料注入烟道气流内时可发生)时，可维持空气加热器的成功操作。中和过程将导致保留在热传递表面上和包埋在空气预热器内的颗粒沉积物中的酸量减少。控制空气预热器内结垢的功效的重要因素是烟道气中烟道气颗粒和碱性颗粒接触空气预热器交换元件(图IB的542)各种热传递表面的位置，以及这些颗粒的大小。较小的颗粒具有较大的趋势跟随烟道气流和更小的趋势碰撞热交换元件的表面。大颗粒，一般大于15微米，具有更大动量，和更大趋势冲击热交换元件的表面。大颗粒还具有较大趋势从热交换元件的表面掉落(不蓄积于其上)，如果在颗粒表面或在热交换元件表面上有很少或没有酸存在。大颗粒还可作用于“洗涤”，或腐蚀，空气预热器表面比如热传递元件的小颗粒，如果小颗粒未与表面强烈结合。通常将碱性颗粒注射至空气预热器下游以控制SO3烟柱发出和通过袋滤室或沉淀器增强汞清除。但是，这不影响空气预热器的结垢。在本发明中，将碱性颗粒注入空气预热器的气体入口上游的管道网络。它们必须经注射系统分布以确保有充分的碱性材料供应均匀分散在导管网络整个横断面，以确保一旦烟道气流进入空气预热器并冷却至其露点温度或接触空气加热器内低于酸露点温度的热传递表面即可发生冷凝和中和过程。当含有三氧化硫和水蒸气的烟道气处于低于酸露点的温度时，硫酸冷凝为液体。冷凝将发生在空气预热器内具有低于局部露点温度的温度的表面上，且在进一步冷却后，还可发生在气流本身内。当气流达到超饱和状态，硫酸可在无夹带颗粒的情况下通过自成核冷凝。这一般发生在烟道气温度低于局部酸露点时。如果气流含有夹带颗粒，这些颗粒充当成核部位，且冷凝在接近局部露点的温度发生。一般，当存在时，小颗粒在出现在气流内时首先产生冷凝物。这是因为小颗粒具有较高的表面积与体积比的事实，这让它们在冷却期间更紧密跟随烟道气温度。大颗粒具有较低比率，使其保留更多热量，且在冷却后，它们保持比周围烟道气更温热。因此，为了在注射的碱性颗粒上优先冷凝和在化学上中和酸-与在因为其组成而具有很小中和能力的天然飞灰上冷凝相对，颗粒的大小应当比大多数天然飞灰颗粒小。如前说明，酸冷凝在酸露点或更低温度的热传递表面上开始。为了将该酸充分消耗至在热传递表面上产生可通过吹灰或水洗除去的沉积物的水平，必须以充分中和飞灰中的酸的合适速率将碱性颗粒沉积在酸润湿的热传递表面上。因此，在此位置碱性颗粒的作用与最佳成核部位很少相同，且其大小要求不同。气体-夹带颗粒的物理动量是大部分颗粒到达空气预热器内热传递元件表面的途径。假定所有颗粒具有相同密度，并以等于周围烟道气的速度通过空气预热器，小颗粒因为它们较低的质量而具有较小动量。因此，假定相等的量夹带在烟道气中，小颗粒将在热传 递表面上具有较小沉积速率。如果需要较大沉积速率以消耗热传递表面上冷凝的酸，与增加气流中小碱性颗粒的量比较，可优选大碱性颗粒大小。当颗粒的大小分布解决上文提出的两个不同目的时可实现碱性颗粒的最佳注射速率。这种大小分布可能为双峰,包括小和大粒度两者。 可以进一步在空气预热器内定位酸冷凝的位置。还可以计算和改变碱性颗粒分布以“靶向”空气预热器的位置来沉积碱性颗粒。随着烟道气通过空气预热器，其冷却。这引起温度梯度产生。已知入口温度和出口温度，可估计跨过空气预热器的梯度。随着烟道气通过空气预热器，其损失流速。再一次，已知入口速度和出口速度可估计这种速度梯度。对碱性颗粒施加流动烟道气的力。对颗粒施加的烟道气力取决于烟道气速度、颗粒的风阻力和颗粒重量。
因为它们的运动,颗粒还具有动量。颗粒的动量基于颗粒的速度和质量。当烟道气力不够大以改变颗粒的动量使其远离表面时，颗粒冲击表面。如果表面具有冷凝的酸，颗粒很可能粘至表面。如果颗粒是碱性颗粒，它中和一些冷凝的酸。较小的颗粒具有高的表面积/质量比，因此具有大的风阻力每单位质量。较大的颗粒具有较小的表面积与质量比，并具有较小的风阻力每单位质量，且受烟道气力的影响较小。对于相同速度，具有较大质量的颗粒具有较大动量。假定所有颗粒的密度相同，较大的颗粒具有较大的质量。随着颗粒通过空气预热器，它们损失速度。如果烟道气力变得足够弱(因为较低速度)以致它们不能改变颗粒动量使之远离表面，颗粒冲击空气预热器内的表面。在冲击表面之前颗粒通过空气预热器的距离取决于粒度。非常小的颗粒可由烟道气携带根本不冲击表面就离开预热器。因此，粒度指示颗粒将沉积的位置，而粒度分布指示多少颗粒将沉积在空气预热器内各种位置。如果粒度分布在适当大小范围内连续，则颗粒将覆盖空气预热器内邻接区域。因此，如果确定酸将冷凝的位置，可选择粒度分布以将大部分颗粒沉积在预期酸冷凝的位置。碱性材料的质量数量，以及碱性材料的粒度分布，是控制空气预热器内结垢程度的因素。引入烟道气流FGl内的碱性材料的总量必须充分，但是还必须提供粒度分布以便碱性颗粒在酸冷凝/蓄积趋向于发生的点实际接触空气预热器内的热传递表面位置。随着烟道气流FGl中的酸被中和和消耗，蓄积物变得较小粘性，可以更容易用吹灰和/或水洗技术清除。在烟道气流FGl或在热传递表面上不存在冷凝酸时，颗粒比如飞灰不在热交换元件表面上形成具有强烈粘附性的沉积物，因此在热交换元件上将不蓄积至将妨碍烟道气FGl流过空气预热器的厚度。烟道气FGl流过空气预热器被妨碍越小，空气预热器可从烟道气流FGl提取的热量越多。在本发明一个实施方案中，引入烟道气流FGl内的碱性颗粒具有双峰粒度分布。这些碱性颗粒包括“小”颗粒和“大”颗粒。小颗粒的大小优选为I微米-15微米直径，而大颗粒的大小为15微米-150微米。一般，所有引入烟道气流FGl内的颗粒将为I微米-250微米直径大小范围。需要注入FGl内的碱性材料质量数量是FGl中S03/H2S04浓度、烟道气流率、FGl中飞灰的质量数量和FGl中飞灰的化学组成的函数。一般，FGl中503作2504浓度越高，必须注射的碱性材料的质量数量越高。具有越高含碱量的飞灰将一般需要越少碱性材料注入FGl内，因为飞灰天然的碱度将帮助中和和消耗烟道气流中的H2S04。优选在烟道气流FGl到达空气预热器之前将碱性颗粒引入烟道气流FGl内。烟道气传感器310可包括烟道气流率传感器、颗粒浓度传感器和/或取样传感器，用于测量烟道气颗粒的碱度。可将这些颗粒引入烟道气流FGl内，例如作为干燥材料或作为液体浆料，将其经分布系统比如喷嘴或注射设备(注射器)注入，用于将颗粒引入烟道气流FGl内。分布系统可安装在通往空气预热器的气体入口管道网络中。优选将分布系统配置为当烟道气流FGl进入空气预热器时在其中产生均匀和充分的碱性材料分布。碱性分布系统276可采用压缩空气用作干注射的运输介质，或者可将经泵供应的水用作湿注射的运输介质。干注射是将碱性颗粒引入FGl内的优选方法，但设计用于在FGl中提供充分的停留时间用于蒸发水和干燥碱性颗粒的湿系统也是合适的方法。每单位时间注射的碱性吸附剂的质量数量可通过监测几个与空气预热器和工厂操作有关的操作参数来控制。该信息可从整个工厂控制系统收集，或者通过安装具体数据收集仪器获得。将这种输入提供给控制碱性注射系统276的PLC控制器305。注射的吸附剂量将是进入空气加热器的烟道气的质量流率和温度，加上进入空气加热器的烟道气中SO3和水蒸汽浓度的函数。在进入空气预热器的烟道气中的SO3的含量可用燃料的含硫量，熔炉中的空气/燃料比，加上离开熔炉的烟道气的温度和安装在空气预热器上游的催化剂系统来计算。SO3在烟道气中的含量可由燃料燃烧系统的燃烧效率特征计算。大多数这些参数可从用于操作熔炉26的工业系统控制器(未显示)读取，直接在烟道气流中通过烟道气传感器310测量，或者通过湿化学或其它市售的合适设备测量。作为一般规律，离开空气预热器的烟道气的温度越低，空气预热器内热传递表面的温度越低。因此，在热传递表面上冷凝和蓄积的酸的量将随气体出口温度降低而增加。因此，较低的气体出口温度或较低的热传递表面温度操作将需要较高速率的吸附剂质量流注射以防止空气预热器过度结垢，沉积物太“湿”而不能清除。大碱性颗粒的额外益处可能是其帮助“洗涤”存在于热传递表面上的沉积物的天然趋势。再一次，产生洗涤效应的粒度将与最佳成核部位的大小很少相同，可能具有与指定用于消耗热传递表面上冷凝的酸的颗粒不同的大小。测量以上参数，并作为输入供给PLC控制器305。PLC控制器305可用于控制整个操作范围内注入空气预热器内的碱性吸附剂的粒度分布和/或量。例如，随着进入空气预热器250的烟道气的质量流率减小，PLC控制器305将重新计算由于这种改变而需要的吸附剂量，同时还考虑测量的其它参数的当前状态以完成所需量吸附剂质量流率及其相关粒度分布的计算，并向碱性注射系统发信号以调节注射的吸附剂的量或者粒度的分布。如果燃料的含硫量减少(或增加)，将这种输入供给PLC控制器305，结合已知上文指出的其它参数的当前状态，将调节注射的吸附剂的量和分筛。烟道气传感器310可包括流率传感器以确定烟道气流过预热器250的速率，颗粒浓度传感器以测量烟道气颗粒，温度传感器和任选取样传感器以确定烟道气颗粒的化学性质。PLC控制器305读取来自这些传感器的信息以交互式计算由碱性注射系统276注射的 碱性颗粒275的合适质量流率。可期望改变正注射的吸附剂的粒度分布以优化热传递表面上吸附剂沉积的位置。目的是预测冷凝的酸在热传递表面上质量分布的位置，并分筛吸附剂颗粒从而它们的动量将增强吸附剂材料在热传递表面上的分布，与冷凝的酸的分布位置直接相关。这样，可将适当分筛的吸附剂材料的比率沉积在热传递表面的最佳位置以与一定量冷凝的酸在指定位
置反应。除了以上控制逻辑以外，将通过传感器301、303连续测量跨过空气预热器250的压降，并与经计算阈值(如在装入PLC控制器305中的算法限定)比较，所述阈值为烟道气和空气侧流率和温度的函数。期望存在于热传递表面的吹灰循环之间的预测压降对时间关系也将是PLC控制器305的输入。如果实际压降以较快速率增加，则它指示热传递表面上飞灰沉积物和硫酸的累积，原因是吸附剂注射的质量数量不足，吸附剂材料的粒度分布不正确，或者碱性注射系统276的操作不适当。PLC控制器305将增加吸附剂注射速率，试图将跨过空气加热器的压降对时间关 系恢复至适当水平。此外，将通过评价用于控制系统的各种操作参数而改变吸附剂材料的分筛，和向粉碎系统发送适当信号以改变吸附剂材料的分筛，这由PLC控制器305中的算法确定。注意如果吸附剂经浆料或溶液注射，则吸附剂颗粒分筛过程将不适用。相反，如果压降增加的速率低于基于实际操作条件按照PLC控制器305计算的预测水平，则吸附剂注射速率将降低以减少操作成本。在吹灰循环期间，应除去自从上一次吹灰循环以来蓄积在热传递表面上的飞灰，并将减小跨过空气预热器所得的压降。但是，如果因为存在未中和的硫酸而使沉积物太“湿”，则在吹灰循环期间将不被清除。因此，对于给定的烟道气流率和温度，如果空气预热器压降对时间关系大于将输入PLC控制器305的标准曲线，将指示在烟道气中没有足够的吸附剂可用，和/或吸附剂材料的粒度分布对于当前的操作条件不正确。将从PLC控制器305向碱性注射系统276发出信号以增加吸附剂注射速率和/或改变吸附剂粒度分布。如果根据PLC控制器305提供适当的碱性颗粒275的质量流率，且压降超过计算 阈值，则提供较大的大小颗粒相对比率作为吸附剂275。更多大颗粒将接触热传递表面并中和和消耗使颗粒保持于表面的酸。如果感知的压降低于阈值，则提供较小的大小碱性颗粒相对比率，允许更多小颗粒在烟道气中充当成核部位。PLC控制器305可任选控制粉碎机277以指令粉碎机研磨期望大小或大小分布的碱性颗粒275。其它可整合入PLC控制器305以确定吸附剂注射速率的操作参数是用于驱动空气预热器250的转子(图IB的512)的电动机的电压和安培数。随着空气预热器热传递表面上颗粒沉积物的质量增加，转子的整体重量将增加。对于马达给定的电压，这将引起由马达牵出的安培数增加，因为在轴承组件上马达的重量增加导致马达支承轴承系统中额外的摩擦。因此，将连续测量转子驱动马达电压和安培数并供给PLC控制器305，包括在整体计算中以确定吸附剂的质量注射速率和粒度分布。PLC控制逻辑将包括要维持的目标安培数，和在热传递表面吹灰循环期间将发生的飞灰在热传递表面的正常蓄积可能导致的可接受安培数摇摆范围。PLC控制器305将包括适应可能发生的电压摇摆的计算方法，因此如果需要则按照实际电压水平的函数调节要维持的目标安培数水平。如上指出，将碱性颗粒引入烟道气流FGl内大大增加空气预热器从烟道气流FGl捕获更多热量和减少热传递表面结垢的功效。这允许烟道气离开空气加热器的气体出口温度下降。实际的设计和成本限制趋向于确定预热空气将离开空气预热器的温度。但是，通过增加空气通过空气预热器的质量流量，可实现最高气体出口温度降低，同时维持离开空气预热器的期望的空气温度。有鉴于此，可进行一些预备以将过量热量分配给熔炉操作以外的操作，形式为另外的加热空气侧质量流量。在本发明又一个实施方案中(见图2B)，提供空气预热器250，将其配置为将从烟道气FGl提取的热量经空气流A2分配至熔炉26和经辅助空气流A3和/或B2分配至其它目的。这些辅助空气流的可能用途可包括例如煤磨干燥和研磨操作和/或预热锅炉进料水，部位加热或冷却过程，预热进入空气预热器的空气(通过使离开空气加热器的一部分加热空气直接再循环至空气预热器的入口侧，以便其与环境空气混合然后增加进入空气加热器的空气流的温度)，间接加热环境空气(通过使用热交换器，其中将离开空气加热器的一部分热空气用于预热进入的环境空气，然后进入再生性空气预热器)。有其它用途比如厂 区外使用，用于需要加热空气源的工业过程的区域供热，和提供热能至CO2捕获系统，包括但不限于冷冻氨或胺注射过程。参考图2B，EPRS 215包括再生性空气预热器250、颗粒清除系统70和洗涤系统80。提供FD扇60以将空气流Al经入口 251引入空气预热器250的冷侧。如上描述，颗粒清除系统70可包括ESP和/或纤维过滤系统等。洗涤系统80可包括WFGD/DFGD系统。在本实施方案中，提供另外的FD扇260以将辅助空气流BI经入口 256引入空气预热器250的冷侧。图3B是总的描述空气预热器250其它细节的图，所述空气预热器250配置为提供备选加热空气流至熔炉燃烧室以外的某些预定操作。参考图3，空气预热器250配置为包括用于接收空气流Al的入口 251和用于接收辅助空气流BI的辅助空气入口 256。出口 252用于将加热空气流A2输出至熔炉(图2B的26)。还提供辅助出口 255用于将第二加热空气流B2输出至设备的一个或多个预定操作或部分比如磨(图2B的270)。通过具有两个单独出口 252和255，可分别控制加热空气流A2和B2，且从烟道气流FGl提取大于熔炉(图2B的26)适当操作所需的热量。加热空气流A3、B2可以容易地发送用于与蒸汽工厂操作或其它工厂相关操作有关的其它用途。而且，通过提供两个空气入口 Al和BI，可选择性或可变地控制空气预热器的空气输入。本文公开和请求保护的原理和概念适用于所有空气预热器设备/系统，包括但不限于二部分、三部分和四部分空气预热器设备和系统。应当强调本发明的上述实施方案，特别是任何“优选”实施方案，只是可能的实施实例，只为了清楚地理解本发明的原理而阐述。可在实质上不脱离本发明精神和原理的情况下对本发明的上述实施方案进行许多变化和修改。所有此类修改和变化旨在在本文中包括在本公开和本发明的范围内，并受以下权利要求的保护。
权利要求
1.一种使用空气预热器从烟道气流FGl提取额外热量的方法，所述烟道气流FGl具有酸性材料和烟道气颗粒，所述空气预热器具有烟道气入口、烟道气出口和多个热交换表面，所述方法包含以下步骤 a.接收烟道气流FGl进入空气预热器的烟道气入口； b.计算酸材料在烟道气FGl中通过的质量流率； c.计算将注入烟道气流FGl内以中和酸性材料的碱性颗粒的质量流率； d.将具有经计算粒度分布的碱性颗粒以经计算质量流率在允许碱性颗粒与烟道气在进入空气预热器之前适当混合的位置注入空气预热器上游的烟道气流内； e.计算烟道气颗粒的蓄积程度； f.根据经计算的烟道气颗粒蓄积程度，调节以下至少一项 注入烟道气的碱性颗粒的大小分布，和 将碱性颗粒注入烟道气的质量流率； 从而减少烟道气颗粒在热交换元件上的蓄积，减少空气预热器的热传递表面和内部组件的结垢和腐蚀，加上增加空气预热器的热效率。
2.权利要求I的方法，其中调节步骤包含以下步骤 a.当压降高于预定阈值时将碱性颗粒的大小分布调节为具有较大相对百分数的大颗粒以引起更多碱性颗粒接触和粘附于热交换元件并中和在这些元件上冷凝的酸性材料，和 b.当压降低于预定阈值时将碱性颗粒的大小分布调节为具有小相对百分数的大颗粒。
3.权利要求2的方法，其中小的碱性颗粒是1-150微米直径。
4.权利要求2的方法，其中大的碱性颗粒是150-250微米直径。
5.权利要求2的方法，其中调节碱性颗粒大小分布的步骤包含以下步骤 通过控制粉碎机的操作用于生产所需质量数量的碱性材料，和将碱性材料分筛为期望的分布，来调节碱性颗粒的大小分布。
6.权利要求2的方法，其中计算烟道气颗粒蓄积程度的步骤包含以下步骤 a.测量从烟道气入口跨过空气预热器至烟道气出口的压降； b.比较测量的压降与至少一个预定阈值以得到烟道气颗粒的蓄积程度。
7.权利要求I的方法，其中空气预热器是具有转子的旋转空气预热器，所述转子通过由不同电压V的电流I提供动力的马达旋转，且计算烟道气颗粒蓄积程度的步骤包含以下步骤 a.测量电压V和电流I; b.比较在测量电压的测量电流与相同电压的预定电流以确定电流差异； c.比较电流差异与预存转化信息以确定烟道气颗粒的蓄积程度。
8.一种排气处理和热回收(EPHR)系统，其用于从产生具有酸蒸汽和夹带的烟道气颗粒的加热烟道气FGl的熔炉更有效地回收热量，其包含 a.与所述熔炉连接的空气预热器，该空气预热器具有 适合接收所述烟道气FGl的烟道气入口， 用于从烟道气提取热量的多个热交换板；和 用于排出已通过热交换板后的烟道气FG2的烟道气出口 ；b.监测烟道气内物理和化学条件的烟道气传感器； c.适合测量从空气预热器入口至空气预热器出口的压降的压降传感器； d.响应于来自另一设备的控制信号的碱性注射系统，用于当启动时将碱性颗粒引入空气预热器上游的烟道气FGl ;和 e.适合以下的PLC控制器 根据感知的烟道气条件计算碱性颗粒的质量流率； 控制碱性注射系统以注射经计算质量流率的碱性颗粒以中和烟道气中的酸性材料。
9.权利要求8的EPHR系统，其中烟道气传感器包括以下至少一项 a.适合测量烟道气质量流率的流率传感器； b.适合测量烟道气中烟道气颗粒浓度的颗粒传感器；和 c.适合测量烟道气中烟道气颗粒至少一种化学参数的取样传感器。
10.权利要求8的EPHR系统，其中PLC控制器进一步适合根据以下计算碱性颗粒的质量流率 烟道气的质量流率，烟道气的水分含量，酸性材料浓度，烟道气颗粒浓度和感知的烟道气颗粒的化学组成。
11.权利要求8的EPHR系统，其中碱性颗粒包含小颗粒和大颗粒，且PLC控制器进一步适合 控制碱性注射系统以根据从烟道气入口至烟道气出口测量的压降调节注射的碱性颗粒的小颗粒与大颗粒的相对比率。
12.权利要求8的EPHR系统，其中将碱性注射系统配置为引入具有一定范围大小的碱性颗粒。
13.权利要求8的EPHR系统，其中空气预热器包含用于输出第二加热空气流的辅助出□。
14.权利要求8的EPHR系统，其中空气预热器进一步包含 用于接收辅助空气输入的第二入口。
15.一种有效的低成本熔炉系统，其具有 a.产生加热烟道气的化石燃料熔炉； b.与熔炉连接的空气预热器，其适合 接收加热烟道气， 中和加热烟道气中的酸， 提取加热燃烧空气用于熔炉， 提取额外的加热空气用于系统其它地方， 将烟道气温度降至低于烟道气酸露点， 减小离开预热器的烟道气体积；和 c.与空气预热器连接并位于其下游的烟道气处理设备，与不具备中和烟道气酸的空气预热器的系统所使用的那些相比更紧凑和成本更低。
全文摘要
热效率再生性空气预热器(250)通过采用碱性注射系统(276)从离开固体燃料燃炉(26)的烟道气中提取更多热能。这通过将不同大小的碱性颗粒(275)选择性注入空气预热器(250)内减轻酸结垢。小颗粒提供酸蒸汽冷凝和中和的成核部位。大颗粒注射以接触和选择性粘附于热交换元件(542)和中和在那里冷凝的液体酸。当沉积物蓄积超过阈值时，装置产生和利用较高相对百分数的大颗粒。类似地，在其它情况下使用较大相对百分数的小颗粒。减轻结垢状态允许重新设计空气预热器(250)以在无过量结垢的情况下实现从烟道转移更多热量，产生更低的烟道气出口温度。
文档编号F22B1/18GK102666883SQ201080053588
公开日2012年9月12日 申请日期2010年9月15日 优先权日2009年9月25日
发明者J.W.伯明翰, K.J.奥博伊尔 申请人:阿尔斯通技术有限公司