专利名称：降低烟流不透明度的方法
背景技术：
本发明涉及一种降低从大型燃烧器(例如工业用和公用事业用类型的大型燃烧器)排放到大气中的烟流(plume)的不透明度的方法。根据本发明，减小烟流不透明度，优选在改进燃烧和/或减少熔渣和/或腐蚀的同时进行。通过使用燃烧催化剂、熔渣改性剂、靶向(targeted)炉内注入和/或炉体内(in-body)注入的不同组合，本发明实现了一个或多个上述预期结果。
燃烧碳质燃料如重质燃料油、煤、石油焦，以及市政和工业废弃物，一般从烟囱升起烟流，其不透明度由小到大变化不等。另外，上述燃料还含有成渣材料，而且会产生腐蚀性酸和未燃尽的碳，它们相结合则会对锅炉的生产能力产生较为不利的影响，并会腐蚀环境，引起健康方面的危害。
从美学和环境观点来看，烟流是一个问题。烟流本身会令人讨厌，而且用常规技术进行处理的费用也高。烟流的不利影响被认为是与发电厂的排放物不透明度有关。烟流不透明度是按百分率来计量。简而言之，不透明度越大，烟流后面的背景被遮蔽得越多，因而，能透过烟流的光线就越少。如果没有任何背景被遮蔽，则不透明度是0％。如果背景完全被遮蔽，则不透明度是100％。
发电厂烟流对能见度的损害效应可归为3类。第一类，不透光，出现在十分靠近烟囱之处，可用40CFR第60章附录A中所规定的EPA参考法9来测定。采用可见排放物观察法来设法使观察者训练及资格标准化，并保证可靠而可重现的不透明度观察可在美国任何地方实施。第二类，烟流衰弱，出现在顺风2千米到1天行程的距离处。在烟流完全消散之前，烟流发生枯萎，枯萎的程度大得难以将之从背景上清楚辨认出来。区域性阴霾是大规模烟流影响所致，而且显然有着重要的利害关系。烧煤和烧油的发电厂，从燃烧炉和锅炉内部二氧化硫(SO2)氧化成三氧化硫(SO3)时起，就特别会在烟流中产生小颗粒，这些颗粒在较低温度下与水(H2O)凝结成悬浮的硫酸气溶胶颗粒。SO3还与碱金属反应，生成各种硫酸盐。硫酸盐颗粒会显著促进与健康和能见度下降有关的极细颗粒物(PM2.5)聚集。减少排放物中的总SO2含量，可对全部排放物进行脱硫，例如烟道气脱硫(FGD)，以减少出自烧煤锅炉的烟流。通过减少烟流不透明度，本发明对不透明度产生直接影响，并被认为大大减少了单个发电厂对另二类能见度损害的影响。
虽然，从外部污染状况来看，烟流不透明度令人关注，但是燃烧所致的结渣(slagging)和其他一些问题会影响效率—并因此影响经济，特别在需要效率来控制污染以维持发电厂运行的场合下，经济状况严重威胁老式发电厂。渣沉积有时极难用传统方法，例如烟灰吹除法除去。炉渣积聚的结果是，整个装置传热受到损失、通风损失增加、气体通过量受限制，而且还是过度吹灰所致侵蚀造成的管道损坏的一个因素。已知许多其他方法用于向燃料添加处理化学物质，或者以足够处理所生成的所有灰烬的量将处理化学物质加入燃烧炉，以期解决结渣问题。根据上述理由，常用的化学物质包括氧化镁和氢氧化镁，以及各种燃烧催化剂，例如铜、铁、钙，以改进燃料燃烧。
腐蚀通常较大程度上发生于燃烧室的冷端，它引起所希望避免的保养费用。酸性气体及沉积物常可通过向燃烧室或者向燃料添加化学物质来控制。用这样的方式引入化学物质，常常非常低效，且增加必须予以除去的灰烬数量。腐蚀控制也常在污染副产物之间选择。
技术上已通过引入各种化学物质如氧化镁或氢氧化镁，来试图解决结渣和/或腐蚀问题。氢氧化镁能够承受燃烧炉高温环境并与形成沉积物的化合物起反应，提高其灰熔温度，因此改变所生成沉积物的结构。遗憾的是，由于化学物质的利用率差，所以引入化学物质的费用已十分浩大，许多化学物质仅仅变成废物，一部分则与热灰烬起化学反应，不会另外产生问题。US 5,740,745以及US 5,894,806涉及这个问题，通过在一个或多个步骤中引入化学物质直接解决预计或觉察到的结渣和/或腐蚀。
灰烬中未燃尽的碳的存在，是燃烧效率不高的征象，而且可能产生操作上的问题。增加用于燃烧的空气量，会减少灰烬中的碳，常常称为LOI碳(烧失量，意为燃烧其中的碳成分所致的灰烬重量损失)。在某些情况下，这可能是有效的，但使用过量空气总是会降低锅炉的效率。同时，过量空气还使更多SO2转变成SO3，产生额外的酸性气溶胶烟流，而且也可能增加NOx含量。使用燃烧催化剂有时候也会是有效的；然而，由于燃料和/或设备方面的限制，燃烧催化剂不能总是有效或高效地使用。在现有技术中建议的燃烧催化剂之中，有碱性金属盐形式的金属化合物，通常为钙、铁、铜和镁的化合物。通常，金属化合物以金属盐形式供应。盐的阴离子部分可为氢氧根、氧(oxide)、碳酸根、硼酸根、硝酸根等等。炉灰中的碳会降低炉灰的商业价值，如果LOI可降到小于2％，炉灰可用于混凝土。
现有技术需要一种方法，该方法能够高效处理烟流，同时又优选在LOI碳含量低、过量空气少、CO量低和/或NOx量低的情况下能够进行高效率的燃烧，和/或控制结渣和/或腐蚀。
发明概述本发明的目的是通过高效减少烟流来改进大型燃烧器的操作。
本发明的另一目的是，通过高效减少烟流，且在减少LOI碳的同时优选控制结渣和/或腐蚀来改进大型燃烧器的操作。
本发明的另一目的是，能以迄今已被本领域技术人员忽视的效率处理许多锅炉。
本发明的再一个目的是，在许多锅炉中以降低的化学处理成本且在其他锅炉中以其协同作用减少烟流。
更进一步的相关目的是，通过减少上述问题中的任一或所有问题的发生率来降低其招致的费用。
再进一步的目的是，增加燃烧室输出产量。
上述目的和其他目的通过本发明提供的一种改进燃烧器操作的改进方法得以实现，该方法包括使含有燃烧催化剂的碳质燃料燃烧；确定燃烧器内部能得益于靶向炉内处理化学物质(targeted in-furnace treatmentchemical)的燃烧条件；确定炉壁上的引入点位置，在该位置处能够完成靶向炉内处理化学物质的引入；以及根据前一步骤的确定，引入靶向炉内处理化学物质。
在另一种实施方式中，本发明提供一种方法，该方法包括使含有燃烧催化剂和熔渣和/或腐蚀控制化学物质的碳质燃料燃烧；确定燃烧器内部能得益于用于控制熔渣和/或腐蚀的靶向炉内处理化学物质的燃烧条件；确定炉壁上的引入点位置，在该位置处能够完成靶向炉内处理化学物质的引入；以及根据前一步骤的确定，引入炉内靶向处理化学物质。
本发明也提供一种用于污染物质控制的系统分析方法。根据本发明的这一方面，如同测定靶向炉内注入、燃料引入和炉内催化剂引入的有效性那样，测定靶向炉内注入、燃料引入以及结渣和/或腐蚀和/或烟流控制用的化学物质的有效性。然后，又测定了上述处理过程的不同组合的有效性，而且还选择了使用一种或多种上述处理过程的处理方案。优选的处理方案包括这些处理过程中的两者，优选三者。
本发明具有若干优选的方面，下面予以更详细记叙。
发明的详细说明本发明涉及一种减少烟流、优选同时改进大型燃烧器中燃烧和/或减少炉渣和/或腐蚀的方法，大型燃烧器例如是工业上以及公用事业中使用的用于提供电能和焚烧废弃物的那类燃烧器。下列描述将参照烧重燃油如6号燃油的发电厂类型的锅炉来举例说明本发明。然而，需理解的是，任何其他供以任何其他碳质燃料以及易出现用本发明处理的问题的燃烧器，都可得益于本发明。不希望对燃料类型加任何限制，含碳物质比如燃料油、然气、煤、包括城市废弃物及工业废弃物在内的废弃物、淤泥等都可使用。
通常，燃烧碳质燃料如重质燃料油、煤以及城市与工业废弃物，会产生烟流不透明度显著的废气，而且也会产生炉渣、腐蚀性酸，它们分别并结合起来，对锅炉的生产能力和社会可接受性产生较为不利的影响。本发明以经济上吸引人、效率上令人惊诧的方式解决了这些问题。本发明提供一种改进燃烧器操作的改进方法。对该方法来说，重要的是，确定燃烧器内部会影响烟流的燃烧条件。本发明可用于在没有处理剂的情况下仅仅处理烟流，或者处理烟流与LOI碳、渣化和腐蚀中的一种或多种。
该方法将使得需要在使用或不使用燃烧催化剂的情况下燃烧碳质燃料，以及向发生问题的区域或者向化学物质能发挥最大作用的位置引入靶向炉内处理化学物质。该后面的步骤将需要在炉壁上确定能够引入化学物质以控制烟流的引入点位置。因此，按照US 5,740,745和US 5,894,806的教导，利用计算流体力学并建立模型或者观察，可利于实现本发明。除专门的识别技术之外，本领域技术人员能限定对确定问题区域的位置有效的其他技术，并且由此确定引入化学物质的最佳位置。在此恕不赘述这些专利的教导，但将其全部引入用作参考，以阐明适于实施本发明的技术。
在优选的靶向炉内注入化学物质之中，有各种形式的燃烧催化剂(例如钾、钡、钙、铈、铁、铜、锌、镁、锰等)，举例来说，采取水或其他适当载体中的浆料或溶液形式的镁的氧化物和氢氧化物。对于氧化镁或氢氧化镁来说，熔渣还原剂以含水处理溶液、浆料形式引入是最理想的。在需要时，测定浆料浓度，以保证处理溶液以恰当的方向到达锅炉内的所需部位。一般，以浆料或溶液的重量为准计，典型的浓度为例如1％至100％活性化学物质，一般为约51％至约80％活性化学物质、优选约5％到约30％。其他的有效金属氧化物和氢氧化物(例如铜、钛及共混物)均为已知，且也可采用。上述化学物质或其它化学物质，例如氯氧化铜、碳酸铜、氧化铁、铁、铜、钙的有机金属化合物，以一定剂量供应以得到在燃料中作为活泼金属的1～1000ppm(通常40～50ppm)的含量。
对本发明来说重要的是且与本领域已知现有技术偏离的是，结合靶向炉内处理化学物质，将燃烧催化剂与燃料或对改进燃料氧化有效的靶向化学物质一起引入。燃烧催化剂可以是任何对预定目的有效的材料，并优选包括金属化合物，该化合物中的金属选自铜、铁、镁和钙。它可包括可分散于燃料或可溶于燃料的组合物。在这些组合物之中，有影响燃烧过程的化学物质，例如有机酸盐如环烷酸盐、辛酸盐、树脂酸盐(tallate)，磺酸、饱和或不饱和脂肪酸如油酸和妥尔油与选自钾、钡、镁、钙、铈、铁、锰、锌的金属的盐；稀土金属；有机金属化合物如羰基化合物、环戊二烯基羰基化合物的混合物，或者过渡金属铁或锰的芳族络合物。一种优选的催化剂组合物为硝酸钙，它可以50％～66％水溶液形式供应，以燃料中活性金属重量为准计，供应的剂量率为1～1000ppm(@～0.5lb/ton或者40～50ppm作为活性金属)。数量变化可起先通过计算来确定，然后在测试后进行调整。预期高达指示值的100％的变化，而高达约25％的值可能更常见。
除了向燃料添加燃烧催化剂以及靶向炉内添加化学物质之外，本发明方法还会在一些优选实施方案中要求使用加到碳质燃料中的炉内处理化学物质。该化学物质可与靶向炉内注入化学物质相同或者不同。在一个方案中，镁的总用量可为每1000千克的燃料约0.6千克，其中30～40％在燃烧炉或燃料中向下运动，而60～70％在燃烧炉中随着靶向炉内注入(TIFI)向靶向的更高处运动。通常，燃烧催化剂以燃烧器中燃烧的每1000千克碳质燃料计约0.1至约2.0kg，例如约0.2至约0.8千克的剂量率引入。在一些优选的结构中，靶向处理化学物质按燃烧器中燃烧的每1000千克碳质燃料计约0.2千克至约1.2千克，例如约0.32千克到约0.46千克的剂量率引入燃烧炉。数量变化可起先通过计算来确定，然后在测试后进行调整。预期高达指示值的100％的变化，而高达约25％的值可能更常见。
炉内注入化学物质的靶向注入需要确定炉壁上的引入点位置，在该位置处能够完成靶向炉内处理化学物质的引入。然后，在该步骤的测定的基础上，引入靶向炉内处理化学物质，例如以喷雾的形式。理想的是，雾滴在有效的尺寸范围，以适当的速度和方向运行，正如本领域技术人员可确定的那样是有效的。这些雾滴与烟道气相互作用，并以一定速度蒸发，蒸发速度取决于雾滴的尺寸、射道和沿射道的温度。恰当的喷雾型式会产生效率很高的化学物质分布。
正如上述专利中所述，经常使用的喷雾模型是液滴蒸发和运动的PSI-Cell模式，该模式便于稳态过程的反复CFD求解。PSI-Cell法利用流体动力学计算所得的气体特性，从质量、动量和能量平衡的角度来预测雾滴轨迹和蒸发速率。然后，将雾滴的动量、热和质量变化作为源项(source item)引入流体动力学计算的下一次迭代中，因此在足够的迭代之后，流体特性和雾滴轨迹会合成一个稳定解。把喷雾当作一组自一个中心点散发的、具有不同初始速度和雾滴尺寸的单个雾滴。
引入液滴轨迹角度和尺寸或者质量流动分布之间的相关性，并由每个角度下的液滴尺寸和质量流速来确定雾滴频率。为实施本发明，模型应该进一步预测多分量(multi component)雾滴的行为。力、质量及能量平衡的方程组补充以闪蒸计算，提供雾滴在整个生命期内的瞬时速度、液滴尺寸、温度以及化学组成。雾化液体的动量、质量以及能量贡献也包括在内。用激光散射法及多普勒法进行的实验室测量得到了液滴尺寸、喷射角度、质量流量、液滴尺寸分布及雾滴速度的相关性。测定了不同操作条件下的许多类型喷嘴的特征，并用来规定CFD模型计算的参数。当进行最佳操作时，化学效率得以提高，而且雾滴直接撞击换热器及其他装置表面的机会也大大减少。一般，平均雾滴尺寸在20至1000微米的范围内，最通常在约100到600微米的范围之内。
根据本发明，为减少炉渣而引入活性化学物质的喷射器的一种优选排列方式，采用多级喷射，以使喷雾型式最优化，并保证化学物质定向到达所需要的位点。然而，本发明可以借助单个区域，例如在燃烧炉上部进行，在条件容许或者物理限制决定的情况下。然而，一般优选采用多级法，或者在燃料中使用与燃烧炉上部同样的或不同的添加剂。这容许同时注入不同的组合物，或者在不同的位置上或者用不同的喷射器引入组合物以跟随因装载量变化而变的温度变化。
从所有位点引入燃烧气体中的炉内处理用化学物质的总量应当足以减小烟流不透明度和/或腐蚀和/或成渣速度和/或清除频度。炉渣的形成导致经由燃烧炉，例如经由发电机组(generating bank)的压降增大。剂量率可以改变，以便长期控制所提及的各项参数，或者以较高的剂量率来减少已有的炉渣沉积。
本发明的显著优点是，烟流可以得到很好控制，同时腐蚀、炉渣、LOI碳和/或SO3也得以控制。在很多情况下，净效果是操作过程中的协同作用，该作用节省了金钱和/或在烟囱(stack)下部温度、更洁净的空气加热器表面、空气加热器与空气通道中更低的腐蚀速度、更少的过量O2、更洁净的水墙诸方面提高了效率，导致锅炉的对流段中更低的燃烧炉出口温度和更清洁的传热面。
本发明方法可从独特的系统分析的视角来审视。根据本发明的这一方面，如同测定靶向炉内注入、燃料引入和燃烧催化剂的炉内引入的有效性那样，测定靶向炉内注入、燃料引入以及结渣和/或腐蚀和/或烟流控制用化学物质的炉内引入的效率。然后，又测定了上述处理过程的不同组合的有效性，而且还选择了使用一种或多种上述处理过程的处理方式。优选的处理方式包括这些处理过程中的两者，优选三者。在每种情况下，测定可以是任何一种评定方法，无论是否采用计算机辅助方法或上面所援引的专利方法。另外，这还可以包括在操作过程中或者停机时间(down times)进行直接观测或者远距离观测。这里的关键因素和不同于现有技术之处是，同非靶向引入(nontargeted introduction)，尤其是非靶向引入燃烧催化剂和控制渣化和/或腐蚀和/或烟流的化学物质的组合一起评估靶向注入。化学物质的利用及锅炉的维护可得到改进，随之LOI碳、渣化和/或腐蚀也得以控制。
下列各实施例用来进一步举例说明并阐明本发明，在任何方面都不限制本发明。除另行注明外，在特定参考点，所有份数和百分数均以组合物的重量为准计。
实施例1本实施例中，以每1000千克燃料油0.20千克氢氧化镁的比率，将氢氧化镁供入烧残油的发电厂锅炉中的燃料油中。还在用如US 5,894,806中所述的计算流体动态模拟法(computational fluid dynamic modeling)确定的位置上，按每1000千克燃料油0.20千克的比率，将氢氧化镁供入锅炉。另外，还按每1000千克燃料油0.25千克的比率，将硝酸钙燃烧催化剂添加到燃料油中。供入燃料油中的氢氧化镁起到两个作用用在油中结合钒的方法来防止燃烧炉下部渣化，以及防止热侧腐蚀。氢氧化镁还阻止催化剂所致的结垢影响下部燃烧炉清洁。大多数用于化石燃料的催化剂也会使下部燃烧炉产生结垢。数据显示基线不透明度为25％不透明度，并且O2含量为1.5％～2.0％。当在CFD模式运行之后采用本发明时，不透明度减至约4.0％，而且过量O2降至约0.5％。观察到，在该装置上进行这样的操作之前从来没有实现，因为燃料分析结果通常有250ppm钒、2.0％硫和12％沥青质，这导致无法单独用炉体内(in-body)注入获得这些结果。
实施例2用类似的处理进行与实施例1中类似的操作，使不透明度从30％降低至7％。在这种情况下，燃烧催化剂以每1000千克的燃料0.25千克的比率供入，炉内注入化学物质为镁，镁以每1000千克的燃料0.35千克的比率供入。
以上说明是为了教导本领域普通技术人员如何实施本发明。本说明书不打算赘述那些普通技术人员通过阅读本说明书就会明显看出的改进和变更。然而，这意味着，所有这些显而易见的改进和变更均包括在各权利要求所定义的发明范围内。除文中另有明确指明外，权利要求书旨在包括所要求保护的各组分和按任何实际符合目的的次序排列的步骤。
权利要求
1.改进燃烧器操作的方法，该方法包括使含有燃烧催化剂的碳质燃料燃烧；确定燃烧器内部能得益于靶向炉内处理化学物质的燃烧条件；确定炉壁上的引入点位置，在该位置处能够完成靶向炉内处理化学物质的引入；以及根据前一步骤的测定，引入靶向炉内处理化学物质。
2.权利要求1所述的方法，其中燃烧催化剂包括金属化合物，在所述化合物中，金属选自铜、铁、镁、钙、铈、钡、锰及锌。
3.权利要求1所述的方法，其中燃烧催化剂包括硝酸钙。
4.权利要求1所述的方法，其中淤浆或溶液中的靶向处理化学物质的浓度在约1至约100％范围内。
5.权利要求1所述的方法，其中燃烧催化剂或者引入燃料中或者引入炉内，引入的剂量率为约0.2至约0.8kg/1000kg燃烧器中所燃烧的碳质燃料。
6.权利要求1所述的方法，其中靶向处理化学物质被引入炉内，引入的剂量率为约0.2到约0.5kg/1000kg燃烧器中所燃烧的碳质燃料。
7.权利要求1所述的方法，其中靶向处理化学物质是氧化镁或氢氧化镁的淤浆。
8.权利要求6所述的方法，其中在一个以上的高度引入靶向处理化学物质。
9.权利要求1所述的方法，其中靶向处理化学物质是燃烧催化剂。
10.改进燃烧器操作的方法，该方法包括使含有燃烧催化剂和熔渣和/或腐蚀控制化学物质的碳质燃料燃烧；确定燃烧器内部能得益于炉内用于控制熔渣和/或腐蚀的靶向炉内处理处理化学物质的燃烧条件；确定炉壁上的引入点位置，在该位置处能够完成靶向炉内处理化学物质的引入；以及根据前一步骤的测定，引入靶向炉内处理化学物质。
11.权利要求10所述的方法，其中以约0.2至约0.8kg/1000kg燃烧器中所燃烧的碳质燃料的剂量率引入燃烧催化剂。
12.权利要求10所述的方法，其中靶向处理化学物质是燃烧催化剂。
14.降低大型燃烧器向大气所排放烟流的不透明度的方法，该方法包括测定熔渣和/或腐蚀和/或烟流控制化学物质的靶向炉内注入的有效性；测定往燃料中添加熔渣和/或腐蚀和/或烟流控制化学物质的有效性；测定往燃料中添加燃烧催化剂的有效性；测定往燃烧炉添加燃烧催化剂的有效性；测定燃烧催化剂的靶向炉内注入的有效性；测定上述处理过程的各种组合的有效性；以及选择使用一种或多种上述处理过程的处理方案。
15.权利要求14所述的方法，其中燃烧催化剂包括金属化合物，该化合物中的金属选自铜、铁、镁、钙、铈、钡及锌。
16.权利要求14所述的方法，其中靶向处理化学物质是存在于载体中的氧化镁或氢氧化镁。
17.权利要求14所述的方法，其中所选择的处理方案包括至少三种上述处理方法。
18.权利要求17所述的方法，其中燃烧催化剂包括金属化合物，该化合物中的金属选自铜、铁、镁、钙、铈、锌及钡。
19.权利要求17所述的方法，其中靶向处理化学物质是氧化镁或氢氧化镁的浆料。
20.改进燃烧器操作的方法，该方法包括测定往燃烧前的碳质燃料中添加燃烧催化剂和/或渣化和/或腐蚀和/或烟流控制化学物质的需要量；测定燃烧器内部能得益于靶向炉内处理化学物质的燃烧条件；确定炉壁上的引入点位置，在该位置处能够完成靶向炉内处理化学物质的引入；以及根据前一步骤的测定，引入靶向炉内处理化学物质。
全文摘要
向炉内一些与烟流不透明度有关的位置定向注入处理化学物质，使烟流得以减少。对靶向炉内注入、燃料引入和炉内引入控制熔渣和/或腐蚀和/或烟流用的化学物质的有效性进行测定，作为炉内靶向注入效率、燃料中注入效率和燃烧催化剂炉内注入效率。然后，又测定了上述处理过程的不同组合的有效性，而且还选择了采用一种或多种上述处理过程的处理方式。优选的处理方式包括这些处理过程中的两者，优选三者。化学物质的利用及锅炉的维护可得到改进，同时LOI碳、渣化和/或腐蚀也被控制。
文档编号F23J7/00GK1930419SQ200580007585
公开日2007年3月14日 申请日期2005年1月7日 优先权日2004年1月8日
发明者克里斯托弗·R·斯迈尔尼奥蒂斯, 埃米利托·P·里韦拉, 弗兰克·J·朱卡里尼 申请人:环技公司