專利名稱：選擇性催化還原的循環(huán)流化床反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明廣義上涉及循環(huán)流化床(CFB)反應器或燃燒器，具體而言，本發(fā)明涉及在其下游使用選擇催化還原(SCR)系統(tǒng)的CFB反應器或燃燒器，以增強NOx的還原能力。
背景技術：
在設計利用通過燃燒礦物燃料產生蒸汽所得到的熱量的蒸汽發(fā)生系統(tǒng)時，對固體、液體、氣體流出物或排出物的環(huán)境保護和控制是關鍵的因素。目前，最顯著的排出物是二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)和空中浮游的顆粒。
NOx指一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和燃燒時產生的其它痕量物質的積累排出物。一旦選擇了燃料，可采用低NOx燃燒技術和后燃燒技術，使NOx排出最少。如果燃燒改善還不夠，可以采用后燃燒技術如選擇性非催化還原(SNCR)或選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)。在SNCR或SCR系統(tǒng)中，通過與注入煙道氣(flue gas)中的化學試劑的各種反應，NOx還原為氮(N2)和水(H2O)。氨和尿素是SNCR系統(tǒng)最常用的化學試劑，而氨是SCR系統(tǒng)最常用的化學試劑。
流化床燃燒對燃燒固體燃料和回收能量來產生蒸汽方面具備獨特的優(yōu)點；美國對流化床燃燒研究的主要動力是要降低SO2和NOx的排出。通常，這種技術可用于燃燒高硫煤，可達到低的SO2排出量，而不需要額外的后段除硫設備。流化床鍋爐的設計應使床操作溫度在1500-1600°F，導致低的NOx排出。這樣較低的操作溫度還可以燃燒低品位燃料(一般具有高渣和發(fā)穢臭的特點)，而不會經歷燃燒這類燃料時通常發(fā)生的許多操作困難。
CFB反應器或燃燒器中，通過上升的氣流將反應性和非反應性固體夾帶在反應器封閉區(qū)(reactor enclosure)內，該氣流將固體帶到在反應器封閉區(qū)上部的出口。在此，固體通常用沖擊型或旋風型初級顆粒分離器收集，并直接或通過一個或多個管道回到反應器封閉區(qū)底部，。沖擊型初級顆粒分離器在反應器封閉區(qū)出口，通常收集90-97％的循環(huán)固體。如果需要這種方法，可以在沖擊型初級顆粒分離器下游安裝另一個固體收集器，收集另外的固體，最終返回到反應器封閉區(qū)。
CFB反應器或燃燒器是已知的(例如，參閱美國專利5,343,830(Alexander等))，其中兩排或多排沖擊部件位于爐內或反應器封閉區(qū)內，隨后是第二排交叉的沖擊部件，進一步從氣流中分離顆粒，并通過孔洞裝置和顆粒返回裝置返回顆粒，而不需要外部和內部的循環(huán)管道。
SCR和SNCR系統(tǒng)都已用于還原來自燃燒粉煤產生蒸汽系統(tǒng)的NOx排出物。SNCR系統(tǒng)還應用于流化床蒸汽發(fā)生器，并已提出將用于燃燒石油焦的CFB蒸汽發(fā)生器和SCR系統(tǒng)結合。
發(fā)明概述本發(fā)明廣義上涉及循環(huán)流化床(CFB)反應器或燃燒器領域，提供了以最低操作成本達到低NOx排出的系統(tǒng)。流化床燃燒方法提供的在燃料進入點的燃燒溫度比粉煤燃燒系統(tǒng)低得多(1550-1600°F)，粉煤燃燒系統(tǒng)的燃燒溫度為2500-3000°F。燃燒溫度的這一差異導致從流化床的未受控制的NOx排出有很大差異。粉煤法的未受控制的NOx排出范圍在0.3-0.7 lbs/106Btu，但是流化床法的NOx排出要少數倍，一般在0.12-0.2 lbs/106Btu范圍。然而，即使遇到更嚴格的排放規(guī)則，一般在0.10 lbs/106Btu數量級。在有SNCR系統(tǒng)的流化床(在氣體溫為1450-1650°F位置噴入氨)法，以及在有SCR系統(tǒng)的粉煤法(在氣體溫度為750°F的位置噴入氨)中達到了這種NOx還原程度。然而，SCR法的經驗表明對要求的NOx還原只需要更少的氨，離開該系統(tǒng)的未反應氨小于SNCR法(一般，SCR法為5ppm，SNCR法為25ppm)。由于流化床系統(tǒng)中最初的NOx較低，在SCR系統(tǒng)之后的NOx可以更低，同時只使用最少的催化劑和氨。
因此，本發(fā)明的第一方面涉及CFB反應器或燃燒器和SCR系統(tǒng)的結合。這種結合包括用于傳送煙道氣/固體流通過的CFB反應器附件、用于從煙道氣/固體流中分離固體顆粒的初級顆粒分離器和將初級顆粒分離器收集的固體顆粒返回到反應器封閉區(qū)內的裝置。對煙道氣/固體流，至少一個過熱器和再熱器位于初級顆粒收集器的下游。提供位于至少一個過熱器和再熱器的熱交換面下游的復式旋風粉塵收集器，進一步分離從煙道氣/固體流中分離固體顆粒，并提供將復式旋風粉塵收集器收集的固體顆粒返回反應器封閉區(qū)內的裝置。SCR位于復式旋風粉塵收集器的下游，以除去煙道氣/固體流中的NOx，干式滌氣器位于SCR系統(tǒng)的下游。最后，提供將氨注入SCR系統(tǒng)上游的煙道氣/固體流中的裝置，發(fā)生還原NOx排出物的化學反應。
在后面的權利要求書和本說明書部分中具體揭示本發(fā)明的新穎的特征。為更好地理解本發(fā)明，參見附圖和對本發(fā)明較好實施方案的描述，理解本發(fā)明具備的操作優(yōu)點和達到的特別益處。
附圖簡述

圖1是根據本發(fā)明第一實施方案，結合循環(huán)流化床(CFB)反應器或燃燒器和SCR系統(tǒng)的示意圖。
圖2是根據本發(fā)明第二實施方案，結合循環(huán)流化床(CFB)反應器或燃燒器和SCR系統(tǒng)的示意圖。
圖3是根據本發(fā)明第三實施方案，結合循環(huán)流化床(CFB)反應器或燃燒器和SCR系統(tǒng)的示意圖。
較好實施方案的描述本文中，術語CFB燃燒器指其中發(fā)生燃燒過程的CFB型反應器。雖然本發(fā)明特別涉及使用CFB燃燒器作為產生熱量的裝置的鍋爐或蒸汽發(fā)生器，但應理解本發(fā)明能夠容易應用于不同種類的CFB反應器。例如，本發(fā)明可以應用于進行化學反應而不是燃燒過程的反應器，或可將來自發(fā)生在別處的燃燒過程產生的氣體/固體混合物提供給反應器以進一步的加工、或反應器僅提供將顆?；蚬腆w夾帶在氣體中的封閉區(qū)，該氣體不必是燃燒過程的副產物。
為描述CFB反應器和燃燒器的常規(guī)操作，可參考40th Edition，Stultz andKitto，Eds，Copyright1992，The Babook & Wilcox Company的蒸汽/其發(fā)生和使用的第16章，和美國專利5,343,830(Alexander等)，這兩篇文獻全文參考結合于此。對涉及NOx還原技術和設備的一般背景資料和具體的選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)的資料，還可參考上面提到的蒸汽的第34章內容，該內容也全文參考結合于此。
參見附圖，這些附圖中同樣的參考編號表示同樣的部件或功能相同的部件，具體參見附圖1-3，所示的循環(huán)流化床(CFB)反應器或燃燒器編號為10，包括反應器封閉區(qū)20，有上部30。反應器封閉區(qū)20的截面通常是長方形，由流體冷卻封閉區(qū)壁界定，通常包括用鋼隔膜彼此分開的水和/或蒸汽傳送管，獲得氣密的封閉區(qū)20。
采用本領域技術人員已知的方式，在反應器封閉區(qū)20內提供燃料40如煤、吸附劑50如石灰和燃燒空氣60。在反應器封閉區(qū)20下部發(fā)生的燃燒過程產生煙道氣/固體流70，向上從反應器封閉區(qū)20送出，通過數個除去固體顆粒和熱量的階段(如前面所述)，之后傳送到環(huán)境大氣中。
在位于反應器封閉區(qū)20的上部30，在煙道氣/固體流70方向提供初級顆粒分離器80，從煙道氣/固體流70中收集固體顆粒，使它們返回反應器封閉區(qū)20的下部。初級顆粒分離器80較好的包括一排交叉的沖擊型顆粒分離器(未標出)。交叉的沖擊型顆粒分離器是非平面的，對著進入的煙道氣/固體70流動，它們可以是U形、E形、W形或任何呈杯形或凹形表面的形狀。或者，初級顆粒分離器80可包括已知構造的旋風分離器(未標出)；這種情況下，一般不提供下游的復式旋風粉塵收集器(下面描述)。
通過L-閥、J-閥或如美國專利5,343,830(Alexander等)中所述的內循環(huán)，從煙道氣/固體流70除去的固體顆粒90返回反應器封閉區(qū)20，附圖中僅示意地標出這一返回。
然后，將煙道煙道氣/固體流70傳送通過一排或多排熱交換面，包括過熱器(SH)和/或再熱器(RH)表面100，之后(圖1和2中)進行二級顆粒分離，通常使用復式旋風粉塵收集器(MDC)110。MDC 110除去的固體顆粒120通過管道130返回反應器封閉區(qū)20，煙道氣/固體70傳送至SCR系統(tǒng)150之前，傳送通過一排或多排省熱器(EC)熱交換面140。
或者，如圖3所示，可調換MDC110和EC140的位置，使煙道氣/固體70從SH/RH100傳送到EC 140，然后到MDC 110。附圖1-3所示的任一實施方案中，如本領域技術人員所知，EC 140使用的具體數量取決于對進入SCR的煙道氣要求的溫度，以使操作最優(yōu)化。由此，和前面一樣，煙道氣/固體流70傳送到SCR150。還在SCR150上游位置提供將氨注入煙道氣/固體流70的裝置160。
如圖2所示，可以合適位置(考慮溫度，等等)，在煙道氣/固體流70中結合注入尿素或氨，達到使NOx進一步還原。
離開SCR 150時，煙道氣/固體70通常傳送通過另一排EC表面，為了清楚起見，這次編號為170，然后至已知設計的空氣加熱裝置180?？諝饧訜嵫b置180可以是交流換熱型或同流換熱型。之后，在煙道氣/固體流70方向，提供最后的顆粒收集裝置190，該裝置包括集塵室或靜電沉降器。顆粒收集裝置190收集的顆粒200通過管道210也返回到反應器封閉區(qū)20。顆粒收集裝置190下游還提供了一個干式滌氣器系統(tǒng)，一般標號為220，用于從煙道氣/固體70捕捉硫。對干式滌氣器的描述和其基本操作原理可參考40th Edition，Stultz and Kitto，Eds，Copyright1992，The Babook & Wilcox Company的蒸汽/其發(fā)生和使用的第35章該內容全文參考結合于此。最后，排煙機250接受煙道氣/固體70，并按已知方式將其輸送到煙囪260。
本發(fā)明認為在CFB反應器或燃燒器床層中產生的CaO極可能對SCR系統(tǒng)150使用的催化劑不利。MDC 110下游的氣體固體可望的分析值范圍如下氣體分析，體積％固體分析，重量％CO214-15 CaO 4-14H2O 7-15 CaSO48-16O23-4C6-10SO20.02-0.04(200-400ppm)灰* 余量N2余量 (*灰主要組成SiO2、Al2O3、Fe2O3)然而，如果使用石灰原料還原硫，煙道氣/固體中的CaO含量應較低，因為對給定的硫捕捉，在CFB中的Ca/S比例較低。另外，將干式滌氣器用于硫捕捉，可以作為單獨的方式或和吸附劑一起送入反應器封閉區(qū)20，還對降低進入SCR系統(tǒng)150的任何灰顆粒中的CaO含量有利，從而進一步減少NOx排出，因為CaO起了產生NOx的催化劑的作用。而且，在附圖中已標明干式滌氣器220位于顆粒收集裝置190的下游，調換這兩個部件190和220的順序可能是合乎意愿的，這樣可以減少顆粒排出到大氣環(huán)境，還可以使至少部分包含在煙道氣/固體70中的未使用的吸附劑(CaO)通入干式大氣器220，因而提供在干式滌氣器220中發(fā)生的氧化硫還原過程中使用的另外吸附劑來源。
雖然詳細描述了本發(fā)明的具體實施方案以說明本發(fā)明的應用原理，但應理解在不偏離這些原則下本發(fā)明還包含其它的內容。例如，本發(fā)明可應用于涉及CFB反應器或燃燒器的新的結構，或涉及對現有CFB反應器或燃燒器的修改、替換或變動。本發(fā)明的一些實施方案中，使用本發(fā)明的一些特征有利，相應不使用其它特征。因此，所有這類變化和實施方案都在下面的權利要求書的范圍和等同物內。
權利要求
1.一種CFB反應器或燃燒器排列與SCR系統(tǒng)的結合，包括用于將煙道氣/固體流傳送通過的CFB反應器封閉區(qū)，用于從煙道氣/固體流分離固體顆粒的初級顆粒分離器，和將初級顆粒分離器收集的固體顆粒返回到反應器封閉區(qū)的裝置；在初級顆粒分離器下游至少有一個相對于煙道氣/固體流的過熱器或再熱器的熱交換面；復式粉塵收集器，位于至少一個過熱器和再熱器熱交換面的下游，用于從煙道氣/固體流進一步分離固體顆粒，以及將復式粉塵收集器收集的固體顆粒返回到反應器封閉區(qū)的裝置SCR系統(tǒng)，位于復式粉塵收集器下游，用于從煙道氣/固體流中除去NOx；干式滌氣器，位于SCR系統(tǒng)的下游；和在SCR系統(tǒng)的上游，將氨注入煙道氣/固體流的裝置。
2.如權利要求1所述的結合，其特征在于所述初級顆粒分離器包括一排交叉的沖擊型顆粒分離器，其截面為U形、E形和W形中的一種。
3.如權利要求1所述的結合，其特征在于所述結合還包括位于SCR系統(tǒng)上游的省熱器熱交換面，使進入SCR系統(tǒng)的煙道氣達到要求的溫度。
4.如權利要求1所述的結合，其特征在于所述結合包括位于SCR系統(tǒng)的下游的省熱器熱交換面和空氣加熱裝置中的至少一種。
5.如權利要求1所述的結合，其特征在于所述結合還包括位于SCR下游的空氣加熱裝置和位于空氣加熱裝置下游的顆粒收集器。
6.如權利要求5所述的結合，其特征在于所述結合還包括將顆粒收集器和干式滌氣器從煙道氣/固體流收集的固體顆粒返回到反應器封閉區(qū)的裝置。
7.如權利要求5所述的結合，其特征在于所述顆粒收集器位于空氣加熱裝置下游，它包括集塵室或靜電沉降器。
8.如權利要求1所述的結合，其特征在于所述結合還包括在SCR系統(tǒng)的上游，在至少一個過熱器和再熱器熱交換面附近，注入在1450-1650°F的要求溫度范圍的氨或尿素之一種的裝置。
9.如權利要求1所述的結合，其特征在于所述結合還包括在反應器封閉區(qū)內至少一個過熱器、再熱器和鍋爐熱交換面。
10.如權利要求1所述的結合，其特征在于所述初級顆粒分離器包括旋風分離器。
11.一種CFB反應器或燃燒器排列和SCR系統(tǒng)的結合，包括用于將煙道氣/固體流傳送通過的CFB反應器封閉區(qū)，用于從煙道氣/固體流分離固體顆粒的初級顆粒分離器，和將初級顆粒分離器收集的固體顆粒返回到反應器封閉區(qū)的裝置；在初級顆粒分離器的下游至少有一個相對于煙道氣/固體流的過熱器或再熱器的熱交換面；位于CFB反應器封閉區(qū)下游的SCR系統(tǒng)，用于從煙道氣/固體流除去NOx；干式滌氣器，位于SCR系統(tǒng)的下游；和在SCR系統(tǒng)的上游，將氨注入煙道氣/固體流的裝置。
全文摘要
一種CFB反應器或燃燒器(10),在其下游有選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)(150)和干式滌氣系統(tǒng)(220),以促進NO
文檔編號B01J8/24GK1362894SQ01800214
公開日2002年8月7日 申請日期2001年2月6日 優(yōu)先權日2000年2月13日
發(fā)明者D·L·維茨克, M·瑪亞切克, M·L·西爾維, M·J·斯瑪尼亞 申請人:巴布考克及威爾考克斯公司