专利名称：用于对高铁和/或钙含量的煤的燃烧进行炉渣控制的目标试剂注入的制作方法
用于对高铁和/或钙含量的煤的燃烧进行炉渣控制的目标
试剂注入优先权要求本申请要求2008年7月11日提交的美国临时专利申请No. 61/080，004的优先权， 其公开内容全部引入本文作为参考。
背景技术：
本发明涉及通过降低在换热器表面上形成炉渣的趋势和改变炉渣的性质以使其 更容易除去和实际上除去炉渣来提高使用具有高铁和/或钙含量的煤燃烧的燃烧器输出 的方法。煤的燃烧，与其它化石燃料类似，常常不如期望的那样有效并且可以是污染源。维 持燃烧器高效率的运行和控制排放的质量对维持驱动我们的经济所需的能量并同时保护 我们生存所需的空气质量来说是必须的。由于效率和排放是相关的，并且一些技术方案是 使它们彼此竞争的，因此难以即实现效率又实现排放。发电厂和焚烧炉的经济性运行是公 众的利益，对此，新技术是必需的。燃料选择在缓解某些污染问题中发挥重要的作用，但是并不能消除它们。一些煤， 例如某些阿巴拉契亚和伊利诺伊盆地烟煤在许多设计成用煤的工厂(其中经济制约了其 它选择)中是重要的。对于这种高铁含量煤而言，形成炉渣的趋势和炉渣的性质已经长期 成为燃烧工程师和工厂经营者的主要关注。有许多影响炉渣的物理性质和化学性质的因 素。参见，例如编者 Joseph G. Singer，P. E 的 Combustion Fossil Power 1991 第三章，， Combustion Engineering。然而，现在工业仍在承受选择低成本煤和生产能量(其中成渣 成为问题)的实际经济性之间的妥协。炉渣积累是导致热传递降低的问题和经常导致长时 间用于清洁的停工期。与煤相关的问题是必须捕获和处置形成的大量灰分和细粒。现有技术已使用添加 剂来控制炉渣形成和性质，但是添加剂可在绝对量(sheer volume)方面增加所采用的固体 回收系统的负担。因此，由于固体回收系统不能有效地除去所有需要除去的固体，最佳的炉 渣控制经常被妥协。这对于较老的工厂来说特别是个问题，在较老的工厂中提高固体收集 量并不是一种选择。使问题更复杂的是，由于添加剂的组成不同，煤与添加剂的反应也不同。作为一般 规则，没有已知配方可以用合适的添加剂以固体回收装置能够充分处理的有效程度来解决 所有不同煤组成。正积极探寻发现着个别煤组成和添加剂方式(regimen)，以确保可以提供 经济性动力同时产生足够的收益以有效控制污染。需要改进的方法以更有效地控制成渣，特别是与有问题的燃料相关的成渣以改进 锅炉效率和经济性，所述有问题的燃料例如具有硫成分的煤，硫成分导致它们在成渣中发 挥增强的作用，以及具有高铁和/或钙含量的那些。
发明内容
本发明的目的是提供改进的技术以在利用容易产生炉渣的燃料的燃烧器中控制炉渣。本发明的另一目的是提供控制来自利用高铁和/或钙含量的煤燃烧的炉渣同时 减少化学品使用的方法。本发明的另一目的是提供从锅炉换热表面除去由于利用高铁和/或钙含量的煤 燃烧产生的炉渣同时减少化学品使用的方法。进一步的但更具体的目的是提供通过减少与炉渣除去相关的停工期而更有效地 控制炉渣的方法。本发明一些方面的更具体目的是实现以上目的同时改进燃烧器效率。这些和其它目的通过本发明至少在其优选方面中实现，本发明提供了在燃烧具有 高铁和/或钙含量的形成炉渣的煤的燃烧器中进行炉渣控制的改进方法。在一方面中，本发明提供用于减小燃烧器中炉渣的聚结性(cohesiveness)和/或 粘附性(adhesiveness)从而降低结垢速率的方法，包括用总体过量的氧气燃烧具有高铁 和/或钙含量的形成炉渣的煤；使所得燃烧气体在使由所述煤燃烧形成的炉渣冷却的条件 下移动通过换热设备；和在与所述换热设备接触之前引入具有有效地降低结垢速率、优选 提高所得炉渣脆性的量和液滴尺寸和浓度的水性三氢氧化铝。在一优选的方面中，以水性液体的形式引入所述三氢氧化铝试剂和采用计算流体 力学以确定流速和选择试剂引入速率、试剂引入位置、试剂浓度、试剂液滴尺寸和/或试剂动量。在另一优选的方面中，将氢氧化镁作为水性浆料与三氢氧化铝浆料一起引入。在另一方面中，本发明提供通过引入具有对于得自干燥所述浆料的细粒来说有效 进行接触的量和液滴尺寸和浓度的水性三氢氧化铝以与已有的炉渣沉积物接触来清洁具 有炉渣积累的炉表面的方法。在另一方面中，本发明提供清洁和维护燃烧器的方法，包括以下方式将每吨煤约 3 6磅ATH和每吨煤约1 2磅Mg(OH)2初始进料足以减少炉渣的时间，随后将进料减少 到初始值的约10% 约50%以保持所述燃烧器的清洁和有效运行。在以下说明书中展示其它优选的方面和它们的优点。
当与附图结合阅读以下具体说明时，将更好地理解本发明，并且其优点将变得更 清楚，在所述附图中图1是本发明一种实施方式的示意图。图2是以下实施例2给出的三氢氧化铝进入以高铁含量煤运行的燃烧器中运行24 小时之后得到的炉渣样品的照片。
具体实施例方式首先参考为本发明一种实施方式的示意图的图1。图1显示用于产生发电用蒸汽、 生产用蒸汽、加热或焚烧的大型燃烧器10。煤通过燃烧室20和20a进料，并与空气在燃烧区21中燃烧。本发明的优点是煤的铁含量高(例如，铁含量大于约15%，例如约20% 35%，基于灰分的重量，并以Fe2O3表示)和/或钙含量高(例如，钙含量大于5%，例如约 10% 25%，基于灰分的重量，并以CaO表示)。本发明的优点还在于，即使煤具有显著的 硫含量，例如高于约和在约3% 约5%，也能够有效地控制炉渣。这里，在整个本说明 书中，所有份和百分比是以重量计的。由风扇22 和风管24供应的燃烧用空气优选通过气体-气体换热器(未示出)预 热，该换热器从在燃烧器的出口末端的风管(未示出)传热。热燃烧气体上升和流过换热器 26，该换热器26将热从燃烧气体传递到水以产生蒸汽。根据特定的锅炉设计也可提供其它 换热器，包括节热器(下游，未示出)。未经处理的炉渣容易在这些换热器表面上形成，所述 换热器表面基于对个别位置而言重要的设计考虑位于特定燃烧器内。本发明的优点在于， 采用建模技术如计算流体力学以将处理用化学品(特别地，根据本发明确认为对特定类型煤 来说有效的那些)初始引导到最佳位置以减少和/或控制炉渣积累和保持锅炉的有效运行。各个喷嘴排(nozzle bank) 30和30a中提供一系列合适的喷嘴，优选空气辅助雾 化喷嘴，以单独引入三氢氧化铝，或者分别从容器40和40a将三氢氧化铝和氢氧化镁一起 引入。ATH和氢氧化镁优选是水性的，根据需要作为浆料和/或溶液。在图中用双线表示供 应线路(例如，41)。用通用符号表示阀门(例如，42)和用通用符号(G)表示温度传感 器(例如，44)。将阀门42和温度传感器44通过以虚线表示的电导线(例如，48)连接到控 制器46。这些阀门、温度传感器和导线只是说明性的，本领域技术人员利用本文给出的原理 将策略性地放置它们以提供合适的控制信号和响应。控制器46可以是根据具有前馈和反 馈特征的预定控制方式编程的通用数字计算机。根据本发明已发现三氢氧化铝(Al(OH)3)有效地明显减少由不利煤类型造成的炉 渣沉积或对沉积炉渣的清洁，其也作为其它名称如ΑΤΗ、氢氧化铝和水合氧化铝已知。不论 是何种形式的三氢氧化铝原材料，优选将其与水混合(与或不与化学稳定剂混合)，达到适 合储存和处理的浓度，例如至少约25%和优选至少约65%的固体重量，以从罐40通过相关 线路41引入。如下所述，通过建模首先确定浓度和流速以确保将合适量的化学品以正确的物理 形式供应到燃烧器中的正确位置以实现减少成渣和容易清理的理想结果。为了在所述方法 中使用，例如通过计算流体力学(CFD)所确定的将其稀释至约0. 约10%，更窄的约
约5%的范围。当水性三氢氧化铝与燃烧器中的热气体接触时，据信其减小为非常小 的颗粒，例如纳米尺寸的颗粒，例如在200纳米下，优选低于约100纳米。50 约150纳米 的中等颗粒尺寸是本发明方法的有利范围。为了达到这样的尺寸，重要的是将ATH与水一 起引入。据信小颗粒会破坏形成炉渣的一般晶体或玻璃。不论涉及的机理是什么，本发明 的独特优点在于，形成的炉渣是高度易碎的，利用刷洗就容易地破坏，并且可以用手粉碎。本发明的显著优点是，提高形成的炉渣的脆性，从而使其更容易除去。本发明还减 缓或消除了炉渣的积累。有利地，在高剂量下，本发明实际上可除去已经形成的炉渣。短语 “提高炉渣的脆性”是指，与在相同条件下形成但没有进行处理的炉渣相比，处理后的炉渣 需要较小的单位面积的力来粉碎。短语“除去炉渣”是指通过本发明的处理从初始值减少 了附着到锅炉、特别是换热器表面的炉渣的重量。本发明有若干附加和随之带来的优点，包 括减少高硫煤的SO3、减少通过换热装置上的压降、使用较低成本煤的能力、因提高燃料消耗而生成较少的CO和较少的CO2、更好的传热、较少的停工期、较高的生产量、在线清洁、更 清洁的换热表面、清洁整个燃烧器的能力和以更高的效率运行所有负载的能力。所述方法对于大多数煤来说使用ATH和氢氧化镁的组合很好地适用。虽然某些 煤例如具有低硅酸盐组成的煤可以在减少由于炉渣引起的问题的情况下燃烧，但优选至少 在初始使用氢氧化镁。氢氧化镁试剂可优选由含有钙和其它盐的盐水制备，通常由地下盐 水池或海水制备。将白云石灰与这些盐水混合以形成氯化钙溶液和氢氧化镁，将氢氧化镁 从溶液中沉淀滤出。这种形式的氢氧化镁可以在有或没有稳定剂的情况下与水混合，达到 适合储存和处理的浓度，例如25% 65%的固体重量。为了在所述方法中使用，按照通过 计算流体力学(CFD)确定的将其稀释到0. 1 % 10 %，更窄地1 % 5 %的范围内。当其与 燃烧器中的流出物接触时，据信其减小为纳米尺寸的颗粒，例如在200纳米下，优选低于约 100纳米。50 约150纳米的中等颗粒尺寸是本发明方法的有利范围。需要或者希望时也 可采用其它形式的MgO，例如，“轻度燃烧的”或“苛性的”MgO，当它们可以所需颗粒尺寸范 围获得时。 为了最佳地实现这些效果，本发明将优选使用CFD来设计初始流速和选择初始试 剂引入速率、试剂引入位置、试剂浓度、试剂液滴尺寸和/或试剂动量。CFD是公知的科学， 在这种希望提供最小量的化学品来达到最大效果的情况下，完全有益地利用了 CFD。非常明显地注意到，从影响通常被认为是炉渣控制的控制因素的炉渣的熔点来 看，化学品的量是亚化学计量的。根据本发明，除了采用相对少量的试剂之外，有充分的证 据表明本发明的结果是由于文献不能解释的可能的边界化学和动力效应对炉渣形成的物 理破坏所引起的。测试表明，可以利用由CFD确定的初始进料速率得的良好的效果，然后基于观察 到的结果进行调节。作为对进料速率的指导，用于与以下示例燃烧器类似运行的燃烧器的 最经济初始进料速率可最高达每吨煤约6磅ATH (作为干燥活性ΑΤΗ)或每吨煤8磅(作为 65 70%的浆料)。例如，当作为优选的70%浆料添加时，约1磅 约6磅浆料的量是有 效的(更窄地，例如约2磅 约3磅浆料)。还优选使用最高达每吨煤约2磅Mg (OH) 2浆料 (约50% 60%固体)。例如，当作为优选的60%浆料添加时，可利用每吨煤约0. 5磅 约2磅Mg (OH) 2浆料，例如每吨煤约0. 7磅 约1磅Mg (OH) 2浆料。根据需要对浆料进行稀 释，通常稀释为约5% (用于较小的应用)到约35%或更多的固体浓度。通过本发明的处理，有效地从初始值减少了附着到燃烧器、特别是换热表面的炉 渣重量，特别是当ATH和Mg(OH)2以上述范围内的高浓度如每吨煤约3磅 6磅ATH和每 吨煤约1磅 2磅Mg(OH)2H用时。这种除去炉渣的能力提供了进行清洁和维护方式，其 中初始进料如上所述地用于除去炉渣，然后将进料减小到初始值的约10% 约50%以保 持燃烧器清洁和有效地运行。对于根据本发明的最佳炉渣修正来说必需的是，为将引入到室20中的热燃烧气 体中的有效物理形式的三氢氧化铝和任选的氢氧化镁(优选)计算和使用正确的初始浓 度、比率(rates)和引入速率，，从而能够以所需的效果加入所述化学品。CFD在本发明中的 实施可根据Smymiotis等人的美国专利No. 7，162，960完成。在使流出物通过排出管之前， 可采用微粒除去装置(未示出)除去微粒。在本发明的另一可选形式中，可将燃烧催化剂和/或流出物处理化学品加入到燃料、燃烧区，或者例如Smymiotis等人的美国专利No. 7，162，960所述的其它位置。给出以下实施例以进一步解释和说明本发明，但是所述实施例不以任何方式进行 限制性。除非另有说明，所有的份和百分比是以重量计的。实施例1本实施例说明将三氢氧化铝引入到每天燃烧540吨煤的炉子中。所述煤为伊利诺 伊盆地和阿巴拉契亚烟煤的共混物，给出组合的下列分析结果
权利要求
1.用于减小燃烧器中炉渣的聚结性和/或粘附性从而降低结垢速率的方法，包括利用总体过量的氧气燃烧具有高铁和/或钙含量的形成炉渣的煤；使所得燃烧气体在使由燃料燃烧形成的炉渣冷却的条件下移动通过换热设备；和在与所述换热设备接触之前引入具有有效地降低炉渣的结垢速率的量和液滴尺寸和 浓度的水性三氢氧化铝。
2.权利要求1的方法，其中所述处理有效地提高所得炉渣的脆性。
3.权利要求1的方法，其中，以水性液体的形式引入所述三氢氧化铝试剂，和采用计算 流体力学以确定初始流速和选择试剂引入速率、试剂引入位置、试剂浓度、试剂液滴尺寸和 /或试剂动量。
4.权利要求1的方法，其中所述处理进一步包括引入具有有效地降低炉渣结垢速率的 量和液滴尺寸和浓度的氢氧化镁。
5.权利要求1的方法，其中所述处理包括引入最高达每吨煤约6磅三氢氧化铝浆料和 最高达每吨煤约2磅的Mg(OH)2。
6.用于除去燃烧煤的燃烧器中炉渣沉积物的方法，包括将具有有效地除去炉渣沉积物的量和液滴尺寸和浓度的水性三氢氧化铝引入到燃烧 器中的热燃烧气体中。
7.权利要求6的方法，其中所述处理进一步包括引入具有有效降低炉渣的结垢速率的 量和液滴尺寸和浓度的氢氧化镁。
8.权利要求6的方法，其中所述处理包括引入最高达每吨煤约6磅三氢氧化铝浆料和 最高达每吨煤约2磅的Mg(0H)2。
9.清洁和维护锅炉的方法，包括以下方式将每吨煤约3 6磅三氢氧化铝和每吨 煤约1 2磅Mg(OH)2初始进料足以减少炉渣的时间，随后将所述进料减少到初始值的约 10% 约50%以保持所述燃烧器的清洁和有效运行。
10.权利要求9的方法，其中所述处理进一步包括引入具有有效降低炉渣的结垢速率 的量和液滴尺寸和浓度的氢氧化镁。
全文摘要
公开了通过降低在换热表面上形成炉渣的趋势和改变炉渣的性质以使其容易除去来提高使用具有高铁和/或钙含量的煤燃烧的燃烧器输出的方法。所述方法包括利用总体过量的氧气燃烧具有高铁和/或钙含量的形成炉渣的煤；将所得燃烧气体在使由燃料燃烧形成的炉渣冷却的条件下移动通过换热设备；和在与所述换热设备接触之前引入具有有效地降低结垢速率、优选提高所得炉渣脆性的量和液滴尺寸和浓度的水性三氢氧化铝。理想地，以水性液体的形式引入所述三氢氧化铝试剂，并采用计算流体力学以确定流速和选择试剂引入速率、试剂引入位置、试剂浓度、试剂液滴尺寸和/或试剂动量。在优选的方面，进料速率为最高达每吨煤约6磅ATH和优选最高达每吨煤约2磅Mg(OH)2。还提供用于清洁和保持燃烧器清洁度的方法。
文档编号C10L10/00GK102089413SQ200980126871
公开日2011年6月8日 申请日期2009年7月13日 优先权日2008年7月11日
发明者克里斯托弗.R.斯迈尔尼奥蒂斯, 埃米利托.P.里维拉, 肯特.W.舒尔茨 申请人:燃料技术公司