专利名称：对市政煤燃炉中的no的制作方法
技术领域：
本发明涉及降低市政燃煤炉中NOX排放量的方法以及燃烧组合物。具体地说，在不损失燃烧稳定性和煤燃炉热效率的情况下，使用含金属的燃烧催化剂并且同时减少燃烧氧气，降低了NOX的排放量。
背景技术：
为了获得更为稳定的燃烧并使燃烧炉的热效率最优化，市政炉采用比所需的化学计量值高的过量燃烧氧气(燃烧空气)。不利的是，过量的燃烧空气提高了NOX的生成速度，由此增大了NOX的排放量。对于煤燃炉来说，过量空气的范围为约高于化学计量的3-15体积％。通常称之为“过剩氧量”，一般过剩氧量约为0.8-4％。
众所周知NOX的生成与存在的氧气量成正比，由此燃烧氧气量的增大会导致NOX排放量的增加。相反，通过减少燃烧氧气，NOX排放量可被降低。可惜的是，高的过剩氧量有助于更为稳定的燃烧以及在燃料转化成能量时有助于更高的炉热效率。因此，降低NOX必定会导致燃烧稳定性降低以及炉的热效率相对变低。
发明内容
因此，本发明的目的是在降低NOX排放量的同时克服上述问题和缺陷。具体地说，使用含金属的燃烧催化剂同时减少燃烧氧气量，在不损失燃烧稳定性和炉热效率的情况下，可以降低NOX排放量。
在一个实施例中，有一个降低炉中煤燃烧产生的NOX排放量的方法，该方法包括下面的步骤提供一个具有燃烧室的炉，在该燃烧室中装有燃烧的煤和氧气；向燃烧室中输送含金属的燃烧催化剂；与不使用含金属的燃烧催化剂的燃烧室中燃烧的氧气量相比，提供降低的氧气量到燃烧室中；其中与燃烧室中没有输送燃烧催化剂并且没有降低氧气量的炉的热效率和/或燃烧稳定性相比，上述方法中炉的热效率和/或燃烧稳定性没有降低。
图1是过剩氧量范围(x轴)与NOX和炉热效率(y轴)的关系曲线图。图中标绘的数据源自表1。
图2是典型发电厂中使用的煤及其相应特性的列表。
具体实施例方式
本发明的目的是在不降低炉的燃烧稳定性和热效率的情况下减少市政炉中煤燃烧产生的NOX的排放量。NOX排放量的降低是通过输送含金属的催化剂到燃烧室中，并且降低向燃烧室中提供的燃烧氧气量来实现。
这里使用的术语“NOX”是指化学物质的一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)。氮的其它氧化物也是公知的，如N2O、N2O3、N2O4和N2O5，但这些物质不会从固定燃烧源中大量释放(除某些体系中的N2O外)。
本发明的特点尤其在于这里描述的方法可广泛用于各种常规的燃烧装置。因此，任何包括用以氧化可燃煤燃料的燃烧区的燃烧装置都可使用。例如，燃烧区可提供在发电设备、锅炉、熔炉、磁流体动力(MHD)燃烧器、焚化炉、发动机或其它燃烧装置中。在一个实施例中，燃烧装置包括低NOX燃烧器。
因此，本发明的一个实施方案提供了一种降低炉中煤燃烧产生的NOX排放量的方法，该方法包括下列步骤提供具有燃烧室的炉，燃烧室中装有燃烧的煤和氧气；向燃烧室中输送煤和含金属的燃烧催化剂；与不使用含金属的燃烧催化剂的燃烧室中燃烧的氧气量相比，提供降低量的氧气到燃烧室；其中与燃烧室中没有输送燃烧催化剂并且没有降低氧气量的炉的热效率相比，上述方法中炉的热效率没有降低。
在上述实施方案中，所述的炉包括低NOX燃烧器。
在上述实施方案中，提供到燃烧室中的氧气量的降低为高于化学计量的氧气量达50％的降低。
在上述实施方案中，含金属的燃烧催化剂包括锰。
在上述实施方案中，含金属的燃烧催化剂包括有机金属化合物。
在上述实施方案中，含金属的燃烧催化剂包括MMT。
在上述实施方案中，含金属的燃烧催化剂包括选自钾、钙、锶、铬、铁、钴、铜、镧系、铈、铂、钯、铑、钌、铱和锇的金属。
在上述实施方案中，相对于煤量以约2至约400ppm催化剂中的金属的比率输送含金属的燃烧催化剂。
在上述实施方案中，相对于煤量以约2至约80ppm催化剂中的金属的比率输送含金属的燃烧催化剂。
在上述实施方案中，相对于煤量以约2至约50ppm催化剂中的金属的比率输送含金属的燃烧催化剂。
本发明的另一个实施方案是提供一种降低炉中煤燃烧产生的NOX排放量的方法，该方法包括下列步骤提供具有燃烧室的炉，在该燃烧室中装有燃烧的煤和氧气；向燃烧室中输送煤和含金属的燃烧催化剂；与不使用含金属的燃烧催化剂的燃烧室中的燃烧的氧气量相比，提供降低量的氧气到燃烧室；其中与燃烧室中没有输送燃烧催化剂并且没有降低氧气量的炉的燃烧稳定性相比，上述方法中炉的燃烧稳定性没有降低。
在上述实施方案中，所述的炉包括低NOX燃烧器。
在上述实施方案中，提供到燃烧室中的氧气量的降低为高于化学计量的氧气量达50％的降低。
在上述实施方案中，含金属的燃烧催化剂包括锰。
在上述实施方案中，含金属的燃烧催化剂包括有机金属化合物。
在上述实施方案中，含金属的燃烧催化剂包括MMT。
在上述实施方案中，含金属的燃烧催化剂包括选自钾、钙、锶、铬、铁、钴、铜、镧系、铈、铂、钯、铑、钌、铱和锇的金属。
在上述实施方案中，相对于煤量以约2至约400ppm催化剂中金属的比率输送含金属的燃烧催化剂。
在上述实施方案中，相对于煤量以约2至约80ppm催化剂中金属的比率输送含金属的燃烧催化剂。
在上述实施方案中，相对于煤量以约2至约50ppm催化剂中金属的比率输送含金属的燃烧催化剂。
术语“热效率”是指系统由煤燃烧而产生动力的能力。热效率的具体计算是指每燃烧1000BTU的能量所产生的功率(千瓦)比值。
术语“燃烧稳定性”在这里定义为全部燃烧设置被机械安装到燃烧装置上时关键参数的瞬态波动。例如，当用于调整和监控燃烧过程的O2、CO、NOX、CO2计量表开始沿设定点随机振荡时，就给出了燃烧开始不稳定的信号。由于过量燃烧空气的逐渐减少或增加，由炉中空气燃料比的逐渐波动可以引起炉中燃烧的不稳定，直至上述计量表开始不规则地摇摆。燃烧不稳定的结果是环境污染排放物的增加和炉效率的降低。
附图2是不同煤在单一市政场地燃烧的表格。图2所示的Fola煤是用于本发明所述的实施例的煤。NOX比例相对高的煤使用本发明所述的方法是特别有利的。某一实施例中，NOX比例大于约1.20或大于约1.50的煤可燃烧并获得本发明所述的效果。
含金属的燃烧催化剂可包括一种或多种下述金属锰、钾、钙、锶、铬、铁、钴、铜、镧系、铈、铂、钯、铑、钌、铱和锇。用于获得本发明所述的效果的含金属燃烧催化剂的量取决于具体的金属(一种或多种)、含金属的催化剂类型、煤的具体类型、燃煤炉的具体类型及其它工艺条件。催化剂可在进入燃烧室前和/或在燃烧室中与煤和/或燃烧氧气混合。
为了增强金属作为催化剂对燃烧反应的效果，与煤混合的含金属化合物应当使所用的金属以单核或小簇的形式存在。这样，燃烧中会有更多的金属分散在煤(碳)颗粒上。
这里假设煤中天然存在的大量金属，包括锰，对于改善燃烧没有明显的影响，这是因为，例如，锰以晶体形式与例如硫或磷结合在一起。因而，就没有大量单核或小簇的金属原子能够围绕并催化煤(碳)颗粒的燃烧。所以，天然存在的金属对燃烧的影响可以忽略不计。
术语“单核”化合物包括其中金属原子结合在基本可溶的化合物中的化合物。例如可溶于各种有机溶剂的有机金属锰化合物。具有金属原子“小簇”的化合物包括具有2-约50个锰原子的化合物。在该可选择的情况下，金属原子的充分分散或是可分散的，以成为燃烧反应的有效催化剂。论及单核和小簇原子的溶解性时，术语溶解既指常规意义上的完全溶解，又指部分溶解或悬浮于液体介质中。只要金属原子以单个原子或高达约50个原子簇的形式充分分散，金属原子就足以为燃烧反应提供积极的催化效果。
单核化合物的例子包括有机金属化合物。对于可获得本发明所述效果的有机金属化合物的有效有机部分类型包括例如醇、醛、酮、酯、酐、磺酸盐、膦酸盐、螯合物、酚盐、冠醚、环烷酸盐、羧酸、酰胺、乙酰丙酮化物及其混合物。含锰的有机金属化合物包括三羰基锰化合物。上述化合物在例如美国专利4,568,357、4,674,447、5,113,803、5,599,357、5,944,858和欧洲专利466512 B1中被教导。
可用于获得本发明所述效果的合适的三羰基锰化合物包括环戊二烯合三羰基锰、甲基环戊二烯合三羰基锰、二甲基环戊二烯合三羰基锰、三甲基环戊二烯合三羰基锰、四甲基环戊二烯合三羰基锰、五甲基环戊二烯合三羰基锰、乙基环戊二烯合三羰基锰、二乙基环戊二烯合三羰基锰、丙基环戊二烯合三羰基锰、异丙基环戊二烯合三羰基锰、叔丁基环戊二烯合三羰基锰、辛基环戊二烯合三羰基锰、十二烷基环戊二烯合三羰基锰、乙基甲基环戊二烯合三羰基锰、茚基三羰基锰等等，其中还包括两种或两种以上上述化合物的混合物。
一个实施例是室温下为液体的环戊二烯合三羰基锰，如甲基环戊二烯合三羰基锰、乙基环戊二烯合三羰基锰、环戊二烯合三羰基锰和甲基环戊二烯合三羰基锰的液体混合物、甲基环戊二烯合三羰基锰和乙基环戊二烯合三羰基锰的混合物等等。
上述化合物的制备公开在如美国专利2,818,417的文献中，其公开在本发明中全文引入。
一个实施例中处理比率相对于煤量为2-50ppm金属，对于金属源来说，每分子含金属燃烧催化剂有1-3个金属原子溶解于含水或烃类介质而获得均匀溶液。对于胶体溶液而言，即粒径小于5纳米(纳米颗粒)的高金属含量的羧酸盐、磺酸盐、膦酸盐、酚盐等等，该处理范围可提高到相对于煤量为80ppm金属。对于粒径分布在5-300纳米直径的分散于有机或含水溶剂中的金属颗粒分散体而言，该处理比率范围可宽至相对于煤量为400ppm金属。这是因为催化活性很大程度取决于催化剂的分散情况，并因此取决于燃烧反应中有多少燃烧催化剂中的金属暴露于燃料中。
分散的金属原子越多，实现同样利用率所需的催化剂就越少。
实施例表1中的数据源自商购市政炉设备，该设备用于制造发电用的蒸气。该设备为燃煤的Wall-Fired Babcock and Wilcox锅炉。燃烧的煤是Fola煤，参见图2。
该炉装有12个低NOX燃烧器，但无法运行过热空气。峰值功率输出为80MW。表1中的NOX％、功率％和负载％数据相对没有添加剂时获得的“基数”值而标准化，因此“基数”行的值为0。
表1施加MMT到煤上并且过剩氧量降低时，NOX以及炉热效率的百分比变化
图1是过剩氧量范围(x轴)相对于NOX和炉热效率(y轴)的关系曲线图。曲线图中的数据选自表1。通常，过剩氧量的降低(过量空气量的降低)会导致NOX的减少，但以炉热效率损失为代价。图1表明本发明的添加剂可通过降低过剩氧量并不相应降低燃烧稳定性和热效率的方法使NOX减少。实际上，将提供到燃烧室中的氧气量相对超过化学计量的氧气量降低达50％。这是出人意料的并且在经济上是有利的。
应当明白，在说明书或权利要求中的任何地方，化学名称所指的反应物和组分，无论是单数或复数，都定义为在其与另一种化学名称或化学类型(例如基础燃料、溶剂等)所指的物质接触之前所存在的状态。无论怎样的化学变化、变换和/或反应，在得到的混合物或溶液或反应物介质中发生的任何如上述变化、变换和/或反应，都是在根据本发明的条件下将具体的反应物和/或组分混合的自然结果。因此将反应物和组分视为混在一起实现需要的化学反应(如形成有机金属化合物)或形成需要的组合物(如添加剂浓缩物或additized混合燃料)的配料。还将认识到可将添加剂组分一个一个单独添加或混合到基础燃料本身中，和/或作为组分用来形成预制的添加剂组合物和/或亚组合物。因此，尽管下面的权利要求可能以现在时提及物质、组分和/或配料(“含有”、“是”等等)，但意思是指最初与根据本发明的一种或多种其他物质、组分和/或配料刚混合前存在的物质、组分和/或配料。在上述混合操作过程中或刚刚混合之后，上述物质、组分和/或配料，通过化学反应或变换可能已经失去其原始的特性，上述事实对于正确理解和评价本发明及其后的权利要求是完全不重要的。
在本说明书的很多地方都参考了大量美国专利、公开的外国专利申请以及公开的技术论文。所有这些引用的文献都全文引入到本发明中。
本发明在其实践中可以有很多变化。因此前述说明并不意味着限制，并且不应当解释为把本发明限制到上述的具体实施例。相反地，其含概了随后的权利要求以及法律文件所允许的等同情况。
专利权人并不打算将任何公开的实施方案贡献给公众，任何公开的修改或变化可能没有从文字上落入权利要求的范围，但在等同原则下，认为其是本发明的一部分。
权利要求
1.一种降低炉中煤燃烧产生的NOX排放量的方法，该方法包括下列步骤提供一个具有燃烧室的炉，在燃烧室中为燃烧的煤和氧气；向燃烧室中提供煤和含金属的燃烧催化剂；与不使用含金属的燃烧催化剂的燃烧室中燃烧的氧气量相比，向燃烧室提供降低量的氧气；其中与燃烧室中没有提供燃烧催化剂和降低量的氧气时炉的热效率相比，该炉的热效率没有降低。
2.一种降低炉中煤燃烧产生的NOX排放量的方法，该方法包括下列步骤提供一个具有燃烧室的炉，在燃烧室中为燃烧的煤和氧气；向燃烧室中输送煤和含金属的燃烧催化剂；与不使用含金属的燃烧催化剂的燃烧室中燃烧的氧气量相比，向燃烧室提供降低量的氧气；其中与燃烧室中没有输送燃烧催化剂和降低量的氧气时炉的燃烧稳定性相比，该炉的燃烧稳定性没有降低。
全文摘要
可以降低炉中煤燃烧产生的NO
文档编号F23L7/00GK1865772SQ20051007374
公开日2006年11月22日 申请日期2005年5月20日 优先权日2004年5月24日
发明者G·H·金瑟, M·W·亚当斯 申请人:雅富顿公司