专利名称：气体燃烧处理方法和用于该方法的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体燃烧处理方法和气体燃烧设备。尤其是，本发明涉及这样一种燃烧设备，该燃烧设备适合于用作一个燃烧炉，该燃烧炉用于对由于对煤气进行湿法净化所产生的废气进行处理，并且涉及一种用于此的方法。
背景技术：
当对煤炭进行气化并且用作发电燃料时，在产品气体(a product gas)中会包含有硫化合物(比如硫化氢和硫化羰)和诸如氨这样的氮化物。从环保和防蚀的观点来看，这些化合物在湿法净化设备中被除去。在湿法净化设备中去除的硫化氢(H2S)被提取出来，并且作为含有高浓度硫化氢的废气(即硫化氢废气)排放出来。另外，回收起来的氨气(NH3)也同样被提取出来，并且作为含有氨的废气(即含氨废气)排放出来。下面将参照附图3中示出的流程图对这一系统进行更为详细的描述。
参照附图3中示出的流程图，存在于所述产品气体中的硫化氢在H2S在还原步骤中借助于胺而去除，并且硫化氢又从胺中释放出来。为了对所形成的含有硫化氢的再生气体进行燃烧处理，通常是在一个常规的燃烧炉，存储式燃烧炉或者类似设备中对H2S废气进行处理。作为在该燃烧步骤中使用的燃烧设备，传统上选择并使用存储式燃烧炉，这是由于当硫化物在其中燃烧时所产生的副产品SO3的量较少。
但是，存储式燃烧炉的问题在于它们需要一个阀门机构，用于在改变多条流动路径的同时进行工作，以便保持热交换的效率，而其操作流程很麻烦。另外，从用于确保不会发生诸如故障这样麻烦的可靠性来看，它们并不优越。也就是说，由于当气体流过蓄热器时会发生热交换，所以有可能一个蓄热器的温度持续升高，与此同时另外一个蓄热器的温度持续下降。因此，需要在经常性地转换多个阀门的同时进行工作，以便适当地改变流入和流出蓄热器的气体。
另一方面，当传统的存储式燃烧炉(在1000℃)用于NH3废气的燃烧处理时，无法实现对NH3的彻底燃烧处理，而导致NH3泄漏到下游侧。尽管需要利用一个较高的燃烧温度(1500℃左右)来彻底分解NH3，但是由于例如包括富铝红柱石和堇青石(高温陶瓷材料)的蓄热器可承受温度的极限，存储式燃烧炉的工作温度必须被限制在1000℃左右。
另外，从减少氮氧化物(NOx)的观点来看，由于NOx(由一部分NH3形成)与NH3的脱氮反应需要在1300℃或者更高的温度下进行，所以必须在一个较高的温度下(1500℃左右)燃烧NH3废气。另一方面，在燃烧步骤中所产生的NOx包括由诸如氨这样的含氮燃料形成的燃料用NOx，和在高温区域(比如火焰区域)由大气中的氮气形成的炙热NOx。由于在较高的温度区域内增强了炙热NOx的形成速度，所以在较高温度下产生的炙热NOx的量会增多。但是，当需要对大量的含氨气体进行连续处理时，必须利用一个能够彻底分解NH3的温度。也就是说，所希望的是研究开发出一种技术，用于对含氨气体进行处理，其中，NH3在一个能够彻底分解NH3的温度下进行处理，并且所产生的NOx的量可以减少。
另一方面，直燃式燃烧设备通过在一个燃烧器区段内燃烧一种燃料并且将硫化氢和氨气供送入其中而可以在非常高的温度下对硫化氢和氨进行处理。结合这种燃烧设备，提出了一种单级技术，来作为用于减少由于氨燃烧所产生NOx的量的技术方案，所述单级技术用于比如对所导入的氧气量进行控制，从而比如以1000℃至1200℃的温度在还原气氛下使得氨进行燃烧。
但是，为了在还原气氛下保持一个1000℃左右或者更高的温度，必须燃烧大量的额外燃料。另外，需要一个适合于高温工况的庞大燃烧设备，并且从操作和设备投资的观点来看，这并不经济。还有，为了解决与存储式燃烧炉伴生的前述问题，从而达到令人满意的NOx还原效果，所希望的是在一个至少为1300℃或者更高的高温下对氨进行燃烧和分解，而不是在1000℃左右。
当使用一个直接燃烧式燃烧设备来在高温下对氨进行燃烧和分解时，作为高温处理的结果会产生NOx。因此，需要一种合适的措施来借助于还原介质(比如NH3、H2S或者CO)或者类似物来对NOx进行还原。
发明内容
针对前述问题，为了研究开发出一种用于对含氨气体和含硫化氢气体进行处理的方法，在该方法中，所述这些废气可以以较低的运行成本进行处理，氮氧化物(NOx)和类似物的排放量可以有效地得以抑制，以便低于要求的环境影响度，并且用于此的设备结构简单并且紧凑，具有较高的可靠性，并且易于操作和维护，本发明人进行了深入细致的调查研究。
结果，本发明人已经发现，这些问题可以通过在氨气燃烧步骤与硫化氢燃烧步骤之间设置一个氮氧化物还原步骤，并且通过以两个分开的部分将氨气或者硫化氢供送到燃烧设备中来解决。就此而言，本发明已经完成。
也就是说，本发明提供了一种用于对含氨气体和含硫化氢气体进行燃烧处理的燃烧处理方法，该方法包括第一燃烧处理步骤，在该步骤中，燃料和所述含氨气体被导入并且燃烧；紧接第一燃烧处理步骤的氮氧化物还原步骤，在该步骤中，还原介质(比如一部分含氨气体或者含硫化氢气体)被导入，并且在第一燃烧处理步骤中产生的氮氧化物在还原气氛下被还原；以及紧接氮氧化物还原步骤的第二燃烧处理步骤，在该步骤中，所述含硫化氢气体与空气一同被导入并且燃烧。在前述第一燃烧处理步骤中，优选地在氧化气氛下以1300℃或者更高的温度进行燃烧处理。另外，在氮氧化物还原步骤中，优选地导入一部分含氨气体，并且在还原气氛下还原第一燃烧处理步骤中产生的氮氧化物。
在第一燃烧处理步骤中，优选地测量排出气体的温度并且对所述燃料的流量加以控制，以便使得排出气体的温度将不会低于一个预定的温度。另外，在氮氧化物还原步骤或者第二燃烧处理步骤中，优选地侧量排出的氮氧化物的浓度，并且对被导入氮氧化物还原步骤中的含氨气体和含硫化氢气体的流量加以控制，以便使得排出的氮氧化物的浓度将不会超过一个预定的浓度。
本发明还提供了一种气体燃烧设备，用于对含氨气体和含硫化氢气体进行燃烧处理，该设备包括第一燃烧区段，在该区段中，所述含氨气体与燃料一同导入并燃烧；位于第一燃烧区段下游的氮氧化物还原区段，在该区段中，一部分含硫化氢气体被导入，并且从第一燃烧区段送来的氮氧化物在还原气氛下被还原；以及位于氮氧化物还原区段下游的第二燃烧区段，在该区段中，剩余的含硫化氢气体与空气一同导入并燃烧。所希望的是气体燃烧装置具有如下的结构，即，从第一燃烧区段至氮氧化物还原区段延伸的气体流动路径的横截面被制成小于第一燃烧区段和氮氧化物还原区段的横截面，并且在氮氧化物还原区段与第二燃烧区段之间设置有一个辐射屏蔽板。
本发明可以提供一种三级燃烧设备，其中，可以非常高效地对由于对煤气进行净化所产生的废气进行燃烧处理。
在利用本发明的燃烧设备的系统中，NH3废气和H2S废气在同一燃烧设备中经受燃烧处理。当NH3废气在一个较高的温度范围内(大约1500至1600℃)进行燃烧时，NOx的产生被抑制在一个较低的水平。因此，在本发明中燃烧设备的起始阶段中，NH3废气首先在氧化气氛下经受理想的燃烧处理，从而被转换成氮气和水。由于H2S废气可以在一个较低的温度范围内(800℃或者更高)进行处理，所以H2S废气在氧化气氛下经受燃烧处理，并由此在对NH3废气进行燃烧处理之后被转换成水(H2O)和二氧化硫(SO2)。
由于对氨气(NH3)的燃烧处理会形成某些氮氧化物(NOx)，所以刚好在氨气燃烧之后，在存在NOx的条件下将一部分H2S废气或者NH3废气旁通并导入。从而，在包括有氮氧化物还原步骤的第二阶段中，NOx在还原气氛下被还原成N2，导致NOx的浓度下降。
本发明中的三级燃烧设备被分隔成三个阶段。从用于导入气体的上游端部开始，第一阶段包括一个用于燃烧NH3废气的第一燃烧部分，第二阶段包括一个用于还原NOx的氮氧化物还原部分，而第三阶段包括一个用于燃烧H2S废气的第二燃烧部分。该三级构造能够使得在同一燃烧设备中对NH3废气和H2S废气进行燃烧处理，与此同时对环境的影响度较低。
由于本发明能够依次对NH3废气和H2S废气进行燃烧处理，所以无需对它们进行单独处理，简化了处理系统。另外，通过燃烧NH3废气，无需为了对氨水进行处置而耗费成本。还有，通过设置一个用于旁通H2S废气和NH3废气的旁通部分，减少了NOx的生成量。除此之外，还可以预测到对燃烧炉废气的热回收效果。
图1是示出了本发明中燃烧设备的总体构造的示意图；图2是示出了本发明中燃烧设备的一种示例性构造的示意图；
图3是示出了其中适用本发明中燃烧设备的示例性系统的示意图。
在这些附图中的附图标记定义如下1表示燃烧设备；1a表示第一燃烧区段；1b表示氮氧化物还原区段；1c表示第二燃烧区段；2表示WHB(废热锅炉)；3表示狭窄部分；4表示隔板；10表示GT(燃气轮机)；11表示GGH(热交换器)；12表示冷却塔。
具体实施例方式
下面，将参照附图对根据本发明的气体燃烧方法的具体实施例进行描述。
图1是示出适合于执行本发明中燃烧处理方法的燃烧设备示例的示意图。当从引入氨和燃料的上游端部进行看时，本实施例中的燃烧设备依次配备有一个第一燃烧区段1a、一个氮氧化物还原区段1b和一个第二燃烧区段1c。在第一燃烧区段1a中，含氨(NH3)气体与燃料一同导入。由于这种燃烧设备是直燃式燃烧设备，所以为了在燃烧炉中进行燃烧，要将燃料导入其中，并且这种燃料通常通过一个喷嘴注入。与此同时，包括有空气等的含氧气体被导入，以使得所述燃烧和氨在第一燃烧区段1a中燃烧。如果NH3废气在一个较高的温度范围内(大约1500至1600℃)经受燃烧处理，由氨所产生的NOx可以被抑制到一个较低的水平。因此，在本发明中的燃烧设备内，NH3废气被首先导入构成其先前阶段(previous stage)的第一燃烧区段1a内，并且通过在氧化气氛下进行彻底的燃烧处理而分解成氮气和水。
送入该步骤中的氨被以氨气形式导入。例如，当本发明被应用于对煤气进行净化的系统中时，在一个汽提塔中回收的含氨气体被以气态形式导入第一燃烧区段内，而不经过冷凝。
氨被导入所述燃烧设备中的第一燃烧区段1a内，在这里暴露于大约1500℃至1600℃的高温，并且通过彻底燃烧处理而分解成N2和H2O。在用于对氨进行燃烧处理的第一燃烧处理步骤中，通过在一个非常高的温度下进行燃烧处理可以以某种程度抑制所产生的NOx。但是，无法完全避免产生炙热的NOx。
因此，在本发明中的燃烧设备内，含硫化氢气体或者含氨气体被分成两部分。一部分被导入所述燃烧设备中的氮氧化物还原区段1b内，剩余的硫化氢气体被导入该燃烧设备中的第二燃烧区段1c内。硫化氢是一种可以在大约800℃温度下充分燃烧的化合物，而无需利用高达1500℃的高温。
第一燃烧区段1a燃烧所产生的气体直接导入位于其下游侧的氮氧化物还原区段1b中。在氮氧化物还原区段1b中，一部分含硫化氢气体或者含氨气体被导入，从而使得从第一燃烧区段1a送来的氮氧化物可以在还原气氛下得以还原。由于在第一燃烧区段1a中对氨(NH3)进行燃烧处理会产生氮氧化物(NOx)，所以在氨发生燃烧之后，立即在存在有NOx的条件下将一部分H2S气体或者一部分含氨气体在燃烧之前导入。因此，NOx在包括H2S和NH3气体的还原气氛下还原成N2，导致气体中存在的NOx减少。
也就是说，在氮氧化物还原区段1b中形成了一种还原气氛，其中，一部分含硫化氢气体或者含氨气体被导入该氮氧化物还原区段1b中。在第一燃烧区段1a内，需要将额外的燃料导入并且燃烧，从而在其内部形成一种氧化气氛。但是，在氮氧化物还原区段1b中，NOx在通过导入硫化氢或者氨而形成的还原气氛下还原成N2。作为被导入的含硫化氢气体或者含氨气体的量，其至少应该足以在氮氧化物还原区段1b中形成还原气氛的要求。更具体地说，至少导入与其中存在的氧气量相同的量。
在第一燃烧区段1a中，所希望的是使过量的氧气最少，以便能够抑制所产生的NOx。在另一方面，必须多少过量地加入氧气，以便达到理想的燃烧效果。因此，实际的工作状况应优选地为从第一燃烧区段1a流向氮氧化物还原区段1b的气体中存在的过量氧气被控制成通常在大约0.1至3摩尔百分比范围内，尤其是被控制在大约0.5至1摩尔百分比范围内。这就使得易于对所导入的含硫化氢气体或者含氨气体的量进行控制，以便将氮氧化物还原区段1b内的气氛转换成还原气氛。因此，所有的剩余硫化氢均可以被导入第二燃烧区段1c内。
对导入氮氧化物还原区段1b和第二燃烧区段1c内的含硫化氢气体部分之间的比率没有特殊限制，因为其取决于例如待处理气体的特性和组分，并且因此可以任意确定。比如，在对煤气进行硫化氢处理的过程中，一个优选的实施例通常是将5至20％的含硫化氢气体导入氮氧化物还原区段1b内，而将其80％至95％导入第二燃烧区段1c内。与硫化氢类似，对导入第一燃烧区段1a和氮氧化物还原区段1b内的含氨气体部分之间的比率也没有特殊限制。比如，一个优选的实施例是将80至99％的含氨气体导入第一燃烧区段1a内，而将其1至20％导入氮氧化物还原区段1b内。无需将燃料导入前述的氮氧化物还原区段1b内。由于该区段通常具有一个大约1400至1500℃的温度，所以硫化氢自身会进行燃烧，并且氨也会发生分解。
随后，具有较低NOx浓度的气体被送往位于其下游侧的第二燃烧区段1c中。在该第二燃烧区段1c内，剩余的含硫化氢气体与空气一同被导入并且燃烧。由于可以在较低的温度范围内(800℃或者更高)对H2S气体进行处理，所以在对NH3气体进行燃烧处理后，H2S会在氧化气氛下进行燃烧，并由此转变成水(H2O)和二氧化硫(SO2)。
第二燃烧区段1c通常具有大约800至900℃的温度，并且其中的硫化氢通常在其自身作用下进行燃烧。硫化氢是一种即使其浓度较低但仍易于在一定的或者更高的温度下进行燃烧的物质，并且能够在800℃或者更高的温度下在其自身作用下进行燃烧。因此，当H2S气体与从氮氧化物还原区段1b送来并且具有1000℃或者更高温度的气体发生混合时，其将利用所述气体作为一个热源进行燃烧。由于所导入的H2S气体具有较高的H2S含量和较高的热值，所以通常无需燃料来助燃。但是，也可以根据需要加入燃料。
通过利用本发明中的前述处理设备，可以非常高效地对含氨气体和含硫化氢气体进行燃烧处理。在图2中示出了所述设备的一个更为具体实施例，尽管其构造并非局限于此。在本实施例中，附图标记3指代一个狭窄部分，流过该狭窄部分处的气体可以容易地混合在一起。附图标记4指代一个隔板，该隔板由高温陶瓷材料或者类似材料制成，用于屏蔽辐射(即一个诸如多孔板这样的辐射屏蔽板)。该辐射屏蔽板用于在氮氧化物区段1b与第二燃烧区段1c之间形成温度差。
由于从本发明中的燃烧设备内排出的废气具有900℃左右的温度，所以可以通过在燃烧炉的下游侧安置一个WHB2来回收热量。
与存储式燃烧炉相比，在直燃式燃烧炉中，通过H2S燃烧所产生的SO3的量较多。由于在安置于其下游的废气脱硫装置中无法令人满意地将形成尘埃的SO3去除，所以使用直燃式燃烧炉必须在其下游侧安置SO3去除设备。
更具体地说，从直燃式燃烧炉中产生的废气在WHB2中进行热量回收，直至其被冷却至300℃左右，并且随后穿过一个湿法冷却塔，在这里使得SO3与水接触，并作为硫酸回收。SO3几乎完全溶解于水中。在所述冷却塔中会产生硫酸雾，但是这种硫酸雾无法在废气脱硫装置中被令人满意地除去。因此，一个湿法EP(未示出)被安置在燃烧炉的下游，用于以静电方式使得硫酸雾发生凝结。这种工艺能够明显地降低对环境的影响。
对根据本发明进行处理的气体没有特殊限制，可以对广泛类型的含氨气体和含硫化氢气体进行处理。所述气体的一个具体示例是含有大量氨和硫化氢的煤气。
在用于汽化煤炭且利用所得气体作为发电燃料的系统中，可以通过将本发明中的燃烧设备安装在利用氨去除硫化氢的步骤的下游侧，来将本发明中的燃烧设备用作该系统的一个部分，并且利用它作为一个燃烧炉，用于对由于对煤气进行湿法净化所产生的废气进行处理。在这样一个同时需要含氨气体和含硫化氢气体的系统中，通过利用本发明中的前述燃烧设备，可以有效地改善对这两种废气的处理效果。
更具体地说，前述燃烧设备可以适用于图3所示的净化系统的燃烧步骤中。在这种情况下，通过在水洗步骤中对分离出来的废水进行汽提操作所获得的氨气被用作所述含氨气体。这就使得无需从一个外部供应源向该燃烧设备中供送用作还原介质的氨，并且无需对氨进行处置。因此，无需使用在高温下制备100％氨所用的庞大设备及其附属设备，从而处理系统的尺寸可以减小并且得以简化。在图3中所示系统中，基本上所有的氨均被融入到废水中，从而从水洗步骤流向硫化氢去除步骤的气体基本上不含有氨。当水洗步骤开始之前气体中含有1000ppm左右的氨时，在水洗步骤之后氨的含量将降低至10ppm或者更低。尽管并非必需设置COS转换步骤(即用于将COS转换成H2S的步骤)，但是也可以例如在图3中所示出的那样，在水洗步骤的上游设置该步骤。
由于本发明中的处理方法能够在单一工序中对NH3废气和H2S废气进行燃烧处理，避免了对它们进行单独处理的需要，简化了所述处理系统。另外，可以有效地抑制氮氧化物(NOx)的排放，氮氧化物(NOx)的排放是在对含氨气体进行处理时遇到的一个问题。还有，用于此的所述设备结构简单并且紧凑，具有较高的可靠性，并且易于操作和维护。除此之外，通过燃烧NH3废气，由于例如无需为了对氨水进行处置而耗费成本，所以可以减低运行成本。
权利要求
1.一种含氨气体和含硫化氢气体燃烧处理的气体燃烧处理方法，所述方法包括第一燃烧处理步骤，在该步骤中，燃料和所述含氨气体导入并燃烧；第一燃烧处理步骤下游的氮氧化物还原步骤，在该步骤中，还原介质被导入，并且在第一燃烧处理步骤中产生的氮氧化物在还原气氛下还原；以及氮氧化物还原步骤下游的第二燃烧步骤，在该步骤中，剩余的含硫化氢气体与空气一同导入并燃烧。
2.如权利要求1所述的气体燃烧处理方法，其特征在于，所述还原介质包括一部分含氨气体或含硫化氢气体。
3.如权利要求1或2所述的气体燃烧处理方法，其特征在于，在所述第一燃烧处理步骤中，在氧化气氛下以1300℃或者更高的温度进行燃烧处理。
4.如权利要求1或3所述的气体燃烧处理方法，其特征在于，在氮氧化物还原步骤中，一部分含氨气体被导入，并且在第一燃烧步骤中产生的氮氧化物在还原气氛下被还原。
5.如权利要求1至4中任一项所述的气体燃烧处理方法，其特征在于，在所述第一燃烧处理步骤中，测量排出气体的温度，并且所述燃料的流量控制成使得排出气体的温度小于一个预定的温度。
6.如权利要求1至5中任一项所述的气体燃烧处理方法，其特征在于，在所述氮氧化物还原步骤或者第二燃烧处理步骤中，测量排出的氮氧化物的浓度，并且被导入所述氮氧化物还原步骤中的含氨气体或者含硫化氢气体的流量控制成使得排出的氮氧化物的浓度不大于一个预定的浓度。
7.一种用于含氨气体和含硫化氢气体燃烧处理的气体燃烧设备，所述设备包括第一燃烧区段，在该区段中，燃料和所述含氨气体被导入并燃烧；位于第一燃烧区段下游的氮氧化物区段，在该区段中，一部分含硫化氢气体被导入，并且从第一燃烧区段送来的氮氧化物在还原气氛下被还原；以及位于氮氧化物还原区段下游的第二燃烧区段，在该区段中，剩余的含硫化氢气体与空气一同被导入并且燃烧。
8.如权利要求7所述的气体燃烧设备，其特征在于，从所述第一燃烧区段至氮氧化物区段延伸的气体流动路径的横截面制成为小于所述第一燃烧区段和氮氧化物还原区段的横截面。
9.如权利要求7或8所述的气体燃烧设备，其特征在于，在所述氮氧化物区段与第二燃烧区段之间设置一个辐射屏蔽板。
全文摘要
本发明公开了一种含氨气体和含硫化氢气体燃烧处理的气体燃烧处理方法，该方法包括第一燃烧处理步骤，在该步骤中，所述含氨气体与燃料一同导入并燃烧；第一燃烧处理步骤之后的氮氧化物还原步骤，在该步骤中，一部分含硫化氢气体或者含氨气体被导入，并且在第一燃烧处理步骤中产生的氮氧化物在还原气氛中被还原；以及氮氧化物还原步骤之后的第二燃烧处理步骤，在该步骤中，剩余的含硫化氢气体与空气一同导入并燃烧。本发明还提供了一种燃烧设备，该燃烧设备适于用作一个燃烧炉，用于对煤气湿法净化所产生的废气进行处理。
文档编号F23J15/00GK1414294SQ0213236
公开日2003年4月30日 申请日期2002年9月24日 优先权日2001年10月26日
发明者原田雅浩, 洲崎诚, 石田一男, 长野肇, 平野昌宏, 铃村洋, 本城新太郎, 小山智规, 横滨克彦, 末弘贡 申请人:三菱重工业株式会社, 菱苑技术服务有限会社