专利名称：用于炉内还原和控制三氧化硫的方法
技术领域：
本发明概言之涉及一种用于还原来自燃烧反应的副产物排放物的方法，且更具体而言涉及一种还原燃烧炉内三氧化硫(SO3)的方法。
背景技术：
SO3降低长期以来人们一直认为发电厂的烟气是一种大气污染源。在矿物燃料的燃烧中，某些天然存在的元素被氧化形成(例如)SO3、NOx、HCl、HF及诸如此类。若这些酸(尤其是SO3)的浓度超过了某些临界值则其可能会产生问题。例如，当SO3浓度升高时，烟气的酸露点温度会升高。若烟气的温度低于烟气的酸露点温度，则气体中的SO3将发生凝结并与水起反应形成H2SO4，引发炉内腐蚀问题。并且，自炉膛离开的烟气可迅速冷却且所述气体中的SO3及其它酸发生凝结，形成局部酸雨(其为SO3及其它酸的凝结物及降落物)落到周围地面上，具有后续腐蚀性。过多的SO3会凝结成小滴，并在离开炉膛时形成可见的烟流，此会造成美观问题和地方政治问题。若所述烟气中存有类似于NH3的化合物，则这些化合物可能与SO3起反应形成硫酸氢铵(NH3HSO4)，其随后会污染空气加热器。
因此，存在一如下需要降低烟气酸露点温度以使酸露点温度低于炉膛最冷部分(例如输送管及烟囱)中的烟气温度。亦存在另一需要降低烟气的酸含量以便最小化局部酸雨及与高酸性烟气有关的其它问题。
SO3增加，烟气中载有的颗粒物质可通过静电除尘器除去，静电除尘器可使所述单个颗粒接受一电荷并随后利用此电荷将它们吸引至收集板而实施清理。这些静电除尘器的效率取决于所述单个颗粒获取电荷的能力，即，所述颗粒的电阻率。已经发现，烟气中存在SO3可有效降低所述颗粒的电阻率，使其更易于以静电方式带电。
在煤燃烧中，某些天然存在的硫转化为SO3。另一方面，SO3降低所述颗粒物质电阻率的有效性取决于SO3的浓度，其中约15至20百万份数(ppm)可获得最佳结果。因此，除尘器效率受调节烟气中SO3数量(不管所燃烧煤的硫含量如何)以使总SO3浓度处于最佳范围内的能力的影响。
SO3也是在SCR(催化剂)装置中通过SO2的氧化产生，且经常会超过最佳15至20ppm的最佳浓度。在SCR中通常用于将NOx还原为N2(在氨存在下)的催化剂掺和物亦可将SO2氧化成SO3。此反应的速度具有强温度依赖性，且在较高温度下，可将1％的SO2转化成SO3。高含硫U.S.煤在锅炉中任何位置皆可产生自2,000至3,000ppm的SO2，且因此在SCR外部可产生20至30ppm的SO3。问题是，差不多50％(或10至15ppm)的自所述SCR出来的SO3会通过清洁器而排出烟囱。在约8至10ppm时(取决于颗粒浓度)，SO3变成一可见的蓝色烟流。
并且，SO3亦可以催化方式在其它锅炉表面经由与元素/化学品(例如钒)相互作用而产生。
因此，因为所有在SCR之前形成的SO3会添加至排出的SO3中，所以减少在SCR之前形成的SO3对于减少排出的SO3是重要的并容许使用SCR来减少气体的NOx而不会产生过量的SO3。
SO3控制若SO3浓度太低，则除尘器将以低于最佳的效率工作。另一方面，若SO3浓度太高，则烟气会变为高酸性的，产生“蓝烟”并促进形成酸雨。此外，酸性烟气会促进对传送烟气管道的腐蚀，并且当与NH3型化学品结合时可阻塞空气加热器。
并且，SCR通常每年仅欲使用六个月(在夏季臭氧控制季节)，而在冬天则被忽略了。此情况在除尘器中、在管路中、及在排气烟囱外面会造成SO3浓度的季节变化性。
因此人们期望依靠是否使用SCR来控制烟气中SO3的浓度。接近40ppm的SO3浓度可引发严重不利的局部酸问题，虽然不一定要对其进行调节，但会造成设施的局部政治问题。U.S.EPA已经指出，期望将来对SO3的排放进行管理。
因此，人们期望拥有一种在使用或不使用SCR的情况下能够调节烟气中SO3浓度的SO3烟气系统以将SO3浓度维持在最佳水平从而达到高ESP效能，且不增加局部SO3排放。
分级燃烧分级是以两或更多个阶段煅烧燃料(即煤)的过程。富燃料阶段(或简单而言，富集阶段)是一其中可用空气对于完全燃烧所述燃料而言不充分的阶段。贫燃料阶段为一其中对于完全燃烧所述燃料而言具有充分或过量空气的阶段。分级在先前技术中用于通过a)降低峰温度(热力型NOx)及b)提供一还原环境来还原NOx(NOx还原)。宏观分级乃将炉膛各段划分成富集阶段和贫乏阶段且通过使用此等例如燃尽风(OFA)等技术实现。宏观分级即产生具有不同功能性特征(例如还原电位、温度、及诸如此类)的近微观环境。举例而言，炉膛内的微观分级可在所述炉膛的第一阶段中通过使用低NOx燃烧器并调节旋转叶轮设定值及配风器来达成。增加的分级可增加在还原气氛中的停留时间并可增强所述还原气氛的作用。
先前技术已经采用了微观分级来减少燃烧炉中NOx的排放。低NOx燃烧器(LNB)通过将高燃料含量的一次风递送至炉膛中与流过一或多个二次配风器的二次风相混合来分级。LNB主要使用微观分级。通过一LNB的流量被设计为可使煤的挥发性组份以接近一(1.0)的化学计量比与可利用的附近区域空气混合。在接近燃烧器的中央核心中的净燃烧总体上是富集燃料的且由于温度很低而不会产生大量的热NOx。当越来越多的空气缓慢地混合于所述中央核心时，煤最终经过炉膛深度而耗尽。此区域中产生的大部分NOx来自燃料结合氮并经由中间物HCN反应为NO。外部二次风混合于核心气流的速率通过调节风门及旋转叶轮、以及煤管道中的旋转叶轮进行设定。由于遍及燃烧区具有一丰富的燃烧产物及二次风的连续混合，LNB系统通过分级降低NOx。分级通过降低丰富的核心气流及外部二次风气流之间混合比率而增加。
先前技术已经采用了宏观分级来减少燃烧炉中的排放。宏观分级由较低炉膛中高度混合的燃料及空气组成，对于大部分气流而言混合至一低于一的化学计量比。最终还是需要过量的氧来确保所有燃料已经燃烧及降低爆炸的危险。在一经宏观分级的炉膛中，将过量空气引入燃烧器的下游。增加的分级通过增加停留时间、温度、或在缺乏氧的情况下降低燃烧产物的品质来达成。
先前技术使用微观分级(LNB)及宏观分级(OFA)两种方式来降低燃烧炉中的NOx排放。在微观分级及宏观分级两者的情况下，使用各上述的组合并对其进行调节以达成NOx排放物还原。
在先前技术中从未教示过将分级用于烟气酸度降低、酸露点温度控制或燃烧气体中的SO3浓度控制。
发明内容
本发明涉及一种用于在燃烧系统及方法中还原SO3的方法。
本发明进一步涉及一种用于在燃烧系统及方法中控制SO3的方法。
本发明还涉及一种使用在燃烧系统及方法中还原SO3的方法的燃烧炉。
因此，本发明一目标是提供一种用于在燃烧系统及方法中利用燃烧分级还原SO3的方法。
本发明另一目标是提供一种用于在燃烧系统及方法中利用燃烧分级控制SO3的方法。
本发明另一目标是提供一种燃烧炉，所述燃烧炉可使用能控制SO3的方法，且所述方法可适应所燃烧燃料的硫含量的变化。
业内熟练的技术人员在结合图式阅读下文关于较佳实施例的描述之后将会了解本发明此等及其它方面。
具体实施例方式
在下文说明中，相同的代表符号在若干视图中均表示相同或相应的部分。同样，在下文说明中，应了解，术语“向前”、“向后”、“前”、“后”、“右”、“左”、“向上”、“向下”及诸如此类均为便于描述所用词汇且不应将其理解为限制性用语。在本发明中，“可还原酸”指其中可通过对所述酸进行电化学还原而降低或消除酸性的酸。
本发明涉及一使用燃烧分级在炉内降低及控制酸露点温度的方法。本发明进一步涉及一使用燃烧分级在炉内还原及控制SO3的方法。增加的分级方便地用于同时降低酸度、降低酸露点温度及降低烟气内SO3的水平。
经由微观分级降低酸度、酸露点温度及SO3与在富“还原”环境中将NOx还原回N2的方法相类似，在还原环境中将SO3还原回SO2。对于宏观分级，OFA口下面的炉膛中心富集有大量燃料。可将此分级的环境调整为甚至更少混合以在所述炉膛第一阶段中产生还原性微观分级。可通过降低一次风及煤流的旋转叶轮速度设定值、或另外或以其它方式降低二次风旋转叶轮及配风器设定值来减少混合从而产生还原性微观阶段；或可另外或以其它方式改变一次风及煤流与二次风流之间的相对出口速度。
在燃料结合硫燃烧期间，虽然大部分燃料结合硫形成SO2，但有一些直接形成SO3。SO2可经由以下氧化反应形成更多SO3。
然而，此三体反应速度很缓慢。在氧化环境中产生SO3的另一来源是通过反应。
此反应不需要三主体同时碰撞；然而，其对温度非常敏感，需要高温，且其易于发生逆反应。
在还原环境中，由于缺乏O及O2物质，上述三种反应皆不以任何显著数量发生。在还原环境中，SO3向SO2直接转化通过以下通用“还原”反应发生，其中R为任何还原基团类。在矿物燃料燃烧中，主要基团是H基团。
在还原环境中，许多基团及分子可以是功能性的；例如H、OH、C、CO、CH、CH2C2H、CH3、CnHm、N、NHi，及许多其它基团及分子。
当有有效浓度的还原基团时(“R”)，上述SO3还原反应速度极快。在所述炉膛的第一(富燃料)阶段中，充足浓度主要出现在还原环境中。
在一富燃料分级还原环境中，由于氧化性燃烧物质(例如OH、O、O2、HO2、H2O2、及其它此类物质)的浓度大大降低，因此氧化化学过程终止。在此环境中，对于所有可利用氧物质而言，各物质是很具竞争性的。以相对较小浓度存在的具有氧原子的分子由以高浓度存在的需氧物质消耗；例如，NO中的氧由诸如C、CO、H、及CH的其它物质消耗。具有多个氧原子的分子尤其危险；即，SO3将经由几乎周围任何基团(最显著为H原子)去除氧而迅速转化成SO2。
因此，在一还原环境中，当保持所述还原环境时，SO3还原反应很快且实际上不可逆。
令人惊奇地且重要地，对于本发明方法及系统，净效应为在第一阶段中在燃烧期间形成的SO3迅速还原为SO2，且通过氧化成SO2而不会重新生成SO3，因为在后来贫燃料阶段中在炉膛内足够高的温度下没有充分的停留时间。因此，本发明可方便地利用反应速率差异来降低及保持烟气内SO3水平。
增加的分级可增加在一还原气氛中的停留时间或增加所述气氛的还原电位以降低SO3浓度并由此降低露点温度。因此，为增进SO3的还原，可增加停留时间或可增加烟气中的还原电位。
为增加停留时间，可利用多种方法1)可延长介于阶段间的距离；2)对于宏观分级应用可增加混合；3)对于微观分级应用可减少混合；4)可减小质量流(深层分级)；5)可增加介于阶段之间的体积利用率(例如涡旋)；6)可增加压力；7)可增加密度。
为增加烟气中的还原电位，可利用多种方法1)可增加温度；2)可降低化学计量比(即，空气与燃料之比)；3)可增加局部燃料流(对于固定的空气流而言)；4)可降低局部空气流(对于固定的燃料流而言)。
在阶段中的混合亦会影响还原过程。一具有化学计量比混合物的完全混合阶段最佳，这是由于这些反应条件可达到最高温度，同时仍保持所述还原环境；即，最小化诸如O基团等氧化基团。但是，由于完全混合是不切实际的，因此，事实上使用一小于1的化学计量比，其可使具有大于1的化学计量比的部位的出现最小化。然而，当混合减少时，需要更长的停留时间及/或更高的温度来达成总酸度、酸露点温度、及/或SO3浓度的类似减低。然而，燃烧气体的温度在某一程度上取决于混合的水平，若混合减少则其降低。因此，若一给定程度的混合需要一升高的温度，则必须通过其它方式升高温度，例如对空气进行预热、改变炉膛的热传递特性、及诸如此类。或者或另外，可通过延迟贫乏阶段空气引入(例如OFA喷射)来增加所述还原环境中的停留时间。
注意，SO3通过在一催化剂中对SO2进行氧化而形成，因为一催化剂可使SO2通过以下反应氧化
由于所述经催化反应仅取决于SO2及O2浓度，催化剂中SO3的产生不受气体中SO3浓度的制约。因此，通过本发明还原的全部SO3可独立地减少出口SO3且不受催化剂中SO3产生量的影响并且不会影响催化剂中SO3的产生量。
因此，本发明提供一如下方法控制并降低烟气酸性、尤其烟气SO3浓度，以有助于(1)影响静电除尘器的效率，及更佳地，(2)降低烟气中SO3及其它可还原酸的浓度以降低烟气酸度及酸露点，由此减少空气加热器堵塞、风道腐蚀、及排放至环境中的SO3排放物(其可能是可见烟流及局部酸雨的来源)。
在本发明一较佳实施例中，调整炉膛内酸度及SO3水平的宏观分级通过使用OFA达成。在另一较佳实施例中，调节炉膛内酸度及SO3水平的微观分级通过使用低NOx燃烧器达成。在又一较佳实施例中，将通过结合使用OFA及低NOx燃烧器达成的宏观分级及微观分级用于调节炉膛内酸度及SO3水平。对于在运行中使用SCR的炉膛，较佳对酸度进行调节以降低总烟气酸度。对于未使用SCR或使用旁路SCR的炉膛而言，较佳对SO3进行调节以使至ESP的SO3水平增高或有利于沉落。对于当前ESP而言，在废气中介于约10至约15ppm(按体积)之间的SO3水平适合于最佳ESP效率。
露点温度为用于估计及/或调节还原环境变量以获得充分减低的酸度及/或期望的SO3水平的适合参数。为了达到一期望的SO3水平及工作相对湿度，可测定露点并相应调节还原环境变量以达到期望露点。测定酸度及/或SO3水平的其它方法可用于相同目的而不背离本发明的范围。
在本发明一较佳实施例中，对一发电厂进行操控以在较低炉膛中提供一沿深度分级的微观阶段或宏观阶段还原环境。在较高炉膛内的OFA可提供必需的氧以确保残余未燃尽燃料、燃烧中间物、及/或CO的燃尽达可接受水平。另外，可用SCR来还原NOx。因此，本发明一实施例包括一具有OFA及低NOx燃烧器的燃烧炉，其应用于含硫燃料以降低露点温度及减低SO3浓度。另外，可提供SCR来还原NOx。所述低NOx燃烧器较佳为一如下等级其可在初始阶段中提供充分混合以提供充分的酸露点温度降低及SO3浓度减低，因此，(若需要)容许使用SCR。因此，本发明一实施例包括一具有高等级低NOx燃烧器的燃烧炉，其用于减低烟气酸性、降低酸露点温度及减低烟气SO3浓度的目的。此实施例可进一步包括SCR。
本发明的充分还原环境为可在小于约2秒、更佳小于约0.5秒内将SO3还原为SO2的还原环境。在本发明中，此还原环境可在第一阶段烟气温度大于或等于900Kelvin(1160)、更佳大于约1255K(1800)、甚至更佳大于约1650K(2500)时实现。一还原环境为其中还原基团与氧化基团的浓度比大于约1、更具体而言H基团与O基团的浓度比大于约1的环境。更好的还原环境为其中还原基团与氧化基团的浓度比大于约10、更具体而言H基团与O基团的浓度比大于约10的环境。
因此，根据本发明操作的燃烧炉涉及以下步骤a)在第一阶段中部分燃烧所述燃料以产生还原环境；b)使所述还原环境保持一充足时间段，以便将SO3还原为SO2而达到期望的SO3水平；c)在第二阶段中用氧化环境燃烧燃料剩余物及燃烧中间物；
由此控制烟气中SO3的水平。
一种用于在含硫燃料燃烧过程中还原或控制SO3的本发明方法，包括以下步骤a)在第一阶段中部分燃烧所述燃料以产生还原环境；b)使所述还原环境保持一充足时间段，以便将SO3还原为SO2而达到期望的SO3水平；c)在第二阶段中用氧化环境燃烧燃料剩余物及燃烧中间物；由此降低或控制烟气中SO3的水平。
这些方法可包括微观分级及/或宏观分级第一阶段燃料燃烧及/或宏观分级的步骤。所述微观分级可通过使用低NOx燃烧器提供且所述宏观分级可通过使用燃尽风提供。所述燃料可以是任何燃料，尤其是含碳燃料，例如煤。
实例以下实例阐明可使用本发明方法达成的结果。在3个不同的发电厂中使用本发明方法还原SO3排放物。表1及2中所示实验数据通过使用高速燃尽风并由第三方公司进行测量。
表1.分级深度在2个不同电厂中对SO3水平的影响。
*-在假设煤中98.5％的硫转化为SO2且煤中1.5％的硫转化为SO3的基础上估计得到。
对于“浅”分级的情况，燃尽风口将近关闭，但仍包含冷却流(约10％的总空气量)。对于“中等”分级的情况，燃尽风口组成差不多20％的总空气流。对于“深”分级的情况，燃尽风口组成差不多30％的总空气流。三组设备皆为四角燃烧设备且OFA系统恰好位于燃烧器区上方。
表2.三种水平的分级在一单个电厂中的影响(电厂3，与表1不同)。
因此，所述实验数据展示使用本发明方法调节SO3水平的能力。
在阅读上述说明之后，那些业内熟练的技术人员还可进行某些修改或改良。为简明及易于阅读，本文删去了所有修改及改良，但这些内容皆适当地涵盖于上述权利要求范围内。
权利要求
1.一种在含硫燃料燃烧过程中还原SO3的方法，所述方法步骤包括a)在第一阶段中部分燃烧所述燃料以产生还原环境；b)使所述还原环境保持一充足时间段，以便将SO3还原为SO2而达到期望的SO3水平；c)在第二阶段中用氧化环境燃烧燃料剩余物及燃烧中间物；由此降低烟气中SO3的水平。
2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括微观分级所述第一阶段燃料燃烧的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述微观分级通过使用低NOx燃烧器提供。
4.如权利要求1所述的方法，其进一步包括宏观分级所述燃料燃烧第一阶段的步骤。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述宏观分级通过使用燃尽风提供。
6.如权利要求1所述的方法，其进一步包括微观分级与宏观分级的结合。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述微观分级通过低NOx燃烧器提供且宏观分级通过燃尽风提供。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述燃料为煤。
9.一种使用可在含硫燃料燃烧过程中控制SO3的方法进行操作的燃烧炉，所述方法步骤包括a)部分燃烧所述燃料以产生还原环境；b)使所述还原环境保持一充足时段，以便将SO3还原为SO2而达到期望的SO3水平；c)在氧化环境中燃烧燃料剩余物；由此减少烟气中SO3的转化水平。
10.如权利要求9所述的方法，其进一步包括微观分级所述第一阶段燃料燃烧的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述微观分级通过使用低NOx燃烧器提供。
12.如权利要求9所述的方法，其进一步包括宏观分级所述燃料燃烧第一阶段的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述宏观分级通过使用燃尽风提供。
14.如权利要求9所述的方法，其进一步包括微观分级与宏观分级的结合。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述微观分级通过低NOx燃烧器提供且宏观分级通过燃尽风提供。
16.如权利要求9所述的方法，其中所述燃料为煤。
17.一种在含硫燃料燃烧过程中控制SO3浓度的方法，所述方法步骤包括a)在第一阶段中部分燃烧所述燃料以产生还原环境；b)对所述还原环境时间段进行调节，以便优先将SO3还原为SO2而获得期望的SO3水平；c)在第二阶段中用氧化环境燃烧燃料剩余物及燃烧中间物；由此控制烟气中SO3的水平。
18.如权利要求17所述的方法，其进一步包括微观分级所述第一阶段燃料燃烧的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述微观分级通过使用低NOx燃烧器提供。
20.如权利要求17所述的方法，其进一步包括宏观分级所述燃料燃烧第一阶段的步骤。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述宏观分级通过使用燃尽风提供。
22.如权利要求17所述的方法，其进一步包括微观分级与宏观分级的结合。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述微观分级通过低NOx燃烧器提供且宏观分级通过燃尽风提供。
24.如权利要求17所述的方法，其中所述燃料为煤。
全文摘要
一种在含硫燃料燃烧过程中控制SO
文档编号F23D1/00GK1942706SQ200580011324
公开日2007年4月4日 申请日期2005年2月14日 优先权日2004年2月14日
发明者布赖恩·S·希金斯 申请人:布赖恩·S·希金斯