專利名稱：利用錳在煤燃燒器中同時(shí)減少灰分中的no的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種添加劑和一種通過向燃料中添加有效量的錳化合物來同時(shí)減少由含煤燃料燃燒所產(chǎn)生的NOX和灰碳(carbon)的方法。
背景技術(shù)：
在鍋爐、焚燒爐和通用爐中燃燒燃料如燃油或煤時(shí)，獲得高燃燒效率和低污染排放的能力是極為重要的。提高燃燒效率的最直接的方法之一就是增加助燃空氣的量以保證碳-碳、碳-氫和碳-雜原子鍵完全氧化生成燃燒產(chǎn)物二氧化碳和水。燃燒產(chǎn)物中較高的二氧化碳量意味著提高的燃燒效率以及灰燼中較低的碳含量。不幸的是增加助燃空氣的量會(huì)促進(jìn)NOX的形成。也就是說，隨著助燃空氣的增加，燃燒效率(減少灰燼中的碳)與NOX產(chǎn)量成反比，從而當(dāng)其中一種增加時(shí)，另一種減少。這個(gè)問題在采用廢氣循環(huán)的燃燒系統(tǒng)如通稱為助燃?xì)怏w循環(huán)(FGR)的系統(tǒng)中尤其明顯。通過降低火焰溫度，F(xiàn)GR降低了NOX，但代價(jià)是灰燼中的碳的增加。由于這種在環(huán)境壓力下的燃燒所產(chǎn)生的傳統(tǒng)燃燒學(xué)認(rèn)為在NOX和未燃燒的碳之間存在一種折衷，即用來降低NOX的方法必然會(huì)升高未燃燒碳的量，反之亦然。已知含金屬的添加劑在不同的燃燒系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)其中的一個(gè)方面，但不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面。為避免這種矛盾，以前以及常規(guī)的努力通常需要向每種碳燼和NOX獨(dú)立地施加一系列的多重方法，以將它們置于控制之下或保持在可接受的水平。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)具體實(shí)施方案中，本發(fā)明涉及通過使用至少一種含錳添加劑化合物同時(shí)改進(jìn)燃煤設(shè)備的碳燼(即減少灰燼中的碳)和NOX產(chǎn)量水平的方法。如本文所述，在燃煤設(shè)備如通用爐中使用一種含錳添加劑，可以獲得較少的灰中的碳含量以及較低的NOX排放。
應(yīng)當(dāng)理解，上述一般說明和下述詳細(xì)說明都只是示范性和解釋性的，都是為了對(duì)權(quán)利要求所述的本發(fā)明提供進(jìn)一步的解釋。
附圖簡(jiǎn)述

圖1說明了含錳添加劑在減少NOX中的表現(xiàn)。
圖2說明了通過使用含錳添加劑減少了灰中的碳和一氧化碳。
具體實(shí)施例方式
屬于在環(huán)境壓力下燃燒的傳統(tǒng)燃燒學(xué)認(rèn)為在NOX和未燃燒的碳之間存在一種折衷，即用來降低NOX的方法必然會(huì)提高未燃燒的碳的水平，反之亦然。
在本說明書的一個(gè)具體實(shí)施方案中，含錳添加劑與一種特別是含煤的燃料結(jié)合。含錳添加劑促進(jìn)了整個(gè)燃燒過程中—既包括燃燒系統(tǒng)的高溫區(qū)域也包括低溫區(qū)域(即溫度高達(dá)3600°F的焰鋒和溫度低至550°F的焰鋒谷)—改進(jìn)的碳燃燒(即降低了灰中的碳)。
另一方面，NOX的減少只在低于顯著的熱NOX形成溫度范圍(高于2500°F)之外的溫度下的焰鋒處形成。低于約2500°F，NOX與氧在含錳燃燒副產(chǎn)物微粒(煙灰或粉塵)的碳氧化中相互競(jìng)爭(zhēng)。錳促進(jìn)了此碳氧化反應(yīng)，當(dāng)NOX為氧源和溫度下降時(shí)該反應(yīng)較快。這種通過錳催化的NOX的碳氧化在低至約550°F的溫度仍有效。即使在高空氣對(duì)燃料比(即氧超過化學(xué)計(jì)量，或燃料缺乏)燃燒條件下，這種NOX減少的化學(xué)反應(yīng)仍可以在含碳微粒如煤煙或飄塵上進(jìn)行。這是因?yàn)楹嘉⒘Ｉ系沫h(huán)境是燃料富集型的，是減少NOX所必需的條件。從而，與含碳微粒(燃料富集型)混合在一起的錳可以利用助燃氧或NOX為氧化劑催化碳燃燼。這樣，在NOX減少的同時(shí)灰中的碳也降低了。使用含錳添加劑時(shí)一氧化碳(CO)水平也降低了，這說明在將碳轉(zhuǎn)化為氧化程度更高的二氧化碳燃燒產(chǎn)物時(shí)表現(xiàn)了改進(jìn)的燃燒效率。
因此在本說明書的另一實(shí)施方案中，提出了一種同時(shí)降低由煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量、NOX量和一氧化碳量的方法，該方法包括將煤和含有含錳化合物的添加劑混合形成其混合物；將所述混合物在燃燒室中燃燒；存在的含錳化合物的量足以有效地降低由煤在燃燒室中燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量、NOX量和一氧化碳量。
另一實(shí)施方案提供了一種同時(shí)降低由煤燃燒所產(chǎn)生的一氧化碳量和NOX量的方法，該方法包括將煤和含有含錳化合物的添加劑混合形成其混合物；將所述混合物在燃燒室中燃燒；存在的含錳化合物的量足以有效地降低由煤在燃燒室中燃燒所產(chǎn)生的一氧化碳量和NOX量。
另一實(shí)施方案提供了一種同時(shí)降低由煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量的方法，該方法包括在至少1ppm含錳添加劑的存在下煤，由此，由所述煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量相對(duì)于含錳添加劑不存在的情況下煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量都得以降低。
另一個(gè)實(shí)施方案提供了一種在以FGR模式下運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定燃燒的方法。當(dāng)燃燒爐在FGR速度下運(yùn)行以顯著降低NOX時(shí)，通常會(huì)遇到由FGR造成的溫度較低的火焰所導(dǎo)致的燃燒不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定導(dǎo)致了燃燒效率低和羥、一氧化碳和高碳含量(煙和飄塵)顆粒的增多。從而提供了一種通過在存在至少1ppm含錳添加劑的情況下燃燒煤來穩(wěn)定煤燃燒的方法，由此，由所述煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量相對(duì)于不存在含錳添加劑的情況下煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量都得以降低，燃燒穩(wěn)定性相對(duì)于不存在含錳添加劑時(shí)也得以提高。
在本文中可用作煤添加劑的含錳化合物的例子包括無機(jī)化合物和有機(jī)金屬化合物。可用于本發(fā)明的無機(jī)錳化合物可以包括一種或多種錳的氧化物、錳的硫酸鹽和錳的磷酸鹽。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，優(yōu)選的有機(jī)金屬化合物包括醇、醛、酮、酯、酐、磺酸鹽、膦酸鹽、環(huán)烷酸鹽、螯合物、苯酚鹽、冠醚、羧酸、酰胺、乙酰丙酮化物及其混合物。含錳有機(jī)金屬化合物包括三羰基錳化合物。這種化合物在例如美國(guó)專利US4,568,357；US4,674,447；US5,113,803；US5,599,357；US5,944,858和歐洲專利EP466512B1中有記述。
可用的適當(dāng)三羰基錳化合物包括環(huán)戊二烯基三羰基錳、甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳、二甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳、三甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳、四甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳、五甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳、乙基環(huán)戊二烯基三羰基錳、二乙基環(huán)戊二烯基三羰基錳、丙基環(huán)戊二烯基三羰基錳、異丙基環(huán)戊二烯基三羰基錳、叔丁基環(huán)戊二烯基三羰基錳、辛基環(huán)戊二烯基三羰基錳、十二烷基環(huán)戊二烯基三羰基錳、乙基甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳、茚基三羰基錳等等，包括兩種或多種這些化合物的混合物。一個(gè)例子是室溫下為液態(tài)的環(huán)戊二烯基三羰基錳如甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳、乙基環(huán)戊二烯基三羰基錳、環(huán)戊二烯基三羰基錳和甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳的液態(tài)混合物、甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳和乙基環(huán)戊二烯基三羰基錳的混合物等等。
這些化合物的制備在文獻(xiàn)中有記述，如美國(guó)專利US2,818,417，其公開內(nèi)容在此完全引入。
可以使用本說明書所記述的含錳的煤添加劑化合物的燃燒體系包括任何和所有可以燒或其中可以燒烴類燃料如煤的內(nèi)燃和外燃設(shè)備、機(jī)器、發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、鍋爐、焚化爐、蒸汽爐、固定式爐等。燒煤鍋爐，特別是大的系統(tǒng)，都是獨(dú)特設(shè)計(jì)的。但是多數(shù)都具有將煤輸入和通過研磨過程并最終輸入爐子的燃燒室的初級(jí)氣流。在爐內(nèi)，可以有一個(gè)或多個(gè)同樣向燃燒室內(nèi)輸送空氣的二級(jí)氣流。
含錳的煤添加劑化合物可以在進(jìn)入燃燒室之前或同時(shí)與煤進(jìn)行混合。例如可以將錳化合物注入初級(jí)氣流中以使其在燃燒室前與煤混合?；蛘呖梢詫㈠i化合物隨二級(jí)氣流注入并在燃燒室中與煤混合。最后，具有錳化合物的添加劑可以單獨(dú)注入煤中和直接注入燃燒室中。在所有情形下，都有條件使具有錳化合物的添加劑在煤中有效混合從而使錳原子可以存在并可用于催化活性。添加劑可以是液態(tài)形式以易于與液態(tài)燃料混合，并通過噴霧嘴和微熱輕易分散于燃燒空氣中。
錳化合物在煤中的添加率在1-約500ppm之間?；蛘咛砑勇嗜芜x地為5-100ppm的錳。在另一實(shí)施方案中錳對(duì)煤的添加率為20ppm。
以下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的某些方面作進(jìn)一步說明，但并不限制本發(fā)明。
實(shí)施例測(cè)試在300兆瓦(MW)的燃煤通用爐中進(jìn)行。時(shí)長(zhǎng)46天的測(cè)試粗分成幾個(gè)階段。第一個(gè)階段作為基準(zhǔn)線，不使用含錳添加劑，第二階段使用含錳添加劑，持續(xù)時(shí)間與基準(zhǔn)線階段相同。含錳添加劑注入燃?xì)怏w再循環(huán)流中。由于含錳添加劑的引入，觀察到NOX水平從平均189ppm降到155ppm，降低18％。同時(shí)，由于含錳添加劑的引入，灰中的碳量從平均約20.4％降到9.4％，降低約54％。在這種類型的燃燒中，用一種方法或單一添加劑同時(shí)降低NOX和灰中的碳是意料不到的。
附圖1和2顯示了上述實(shí)施例中使用一種含錳添加劑同時(shí)降低燃燒產(chǎn)物中灰中的碳和NOX的結(jié)果。附圖2顯示了上述實(shí)施例中使用一種含錳添加劑同時(shí)降低燃燒產(chǎn)物中灰碳、NOX和一氧化碳的結(jié)果。該數(shù)據(jù)采自在整個(gè)階段內(nèi)都燃燒同樣的煤的燃煤?jiǎn)卧?，且是基?00MW±10MW時(shí)的日平均值?！癎B”代表向燃燒單元中引入被稱為Greenburn 2001HF燃燒催化劑的含錳的煤添加劑。從這些結(jié)果可以看出，NOX、灰碳和一氧化碳顯著地同時(shí)降低。NOX最終降低17％，飄塵碳含量降低48％，助燃?xì)怏w一氧化碳降低30％。
應(yīng)當(dāng)理解，在此說明書或權(quán)利要求書中任何一處用化學(xué)名稱指代的反應(yīng)物和組分，無論是單數(shù)還是復(fù)數(shù)，都應(yīng)認(rèn)為與另一種用化學(xué)名稱或化學(xué)類別(例如基礎(chǔ)燃料、溶劑等)所指代的關(guān)連之前都已經(jīng)存在。在所得混合物或溶液或反應(yīng)介質(zhì)中發(fā)生的化學(xué)變化、轉(zhuǎn)化和/或反應(yīng)(如果有的話)并不重要，因?yàn)檫@些變化、轉(zhuǎn)化和/或反應(yīng)是將特定的反應(yīng)物和/或組分在本公開所要求遵從的條件下放在一起的自然結(jié)果。因此無論是在進(jìn)行期望的化學(xué)反應(yīng)(如有機(jī)金屬化合物的形成)還是在形成期望的組成(如添加劑濃縮物或添加的燃料混合物)中，反應(yīng)物和組分都被認(rèn)為是要被放在一起的成分。還應(yīng)認(rèn)識(shí)到，添加劑組分可以本身單獨(dú)地或作為形成預(yù)形成添加劑組合物和/或子組合物的組分加入到基礎(chǔ)燃料中或者與其混合。因此，盡管在下面的權(quán)利要求書中提到物質(zhì)、組分和/或成分時(shí)可能是現(xiàn)在時(shí)，但對(duì)這些物質(zhì)、組成或成分的指代就好像它在首次混合或與一種或多種根據(jù)本公開所述的其它物質(zhì)、組成和/或成分混合之前已經(jīng)存在。所述物質(zhì)、組成和/或成分在上述混和或混合操作之中或之后已經(jīng)通過化學(xué)反應(yīng)或轉(zhuǎn)化失去了其原始特性這一事實(shí)對(duì)于準(zhǔn)確理解和評(píng)價(jià)說明書以及下述權(quán)利要求并不重要。
在本說明書的很多地方，引用了許多美國(guó)專利、公開的外國(guó)專利申請(qǐng)和公開的技術(shù)論文。所有這些引用文獻(xiàn)都特別完全引入本公開，如同在此完全公開。
本發(fā)明在實(shí)施中容許有許多變化。因此上述說明不是要限制，也不應(yīng)被解釋成要限制本發(fā)明于上文所公開的具體實(shí)施例。相反，所要覆蓋的范圍陳述于隨后的權(quán)利要求書，并且其等同物在法律上是允許的。
專利權(quán)人并不是要將所公開的任何實(shí)施方案獻(xiàn)給公眾，就這方面來說，所有公開的改進(jìn)和變化就字面上來說可能不在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，但它們?cè)诘韧脑瓌t下被認(rèn)為是本發(fā)明的一部分。
權(quán)利要求
1.一種同時(shí)降低由煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量的方法，該方法包括將煤和含有含錳化合物的添加劑混合，形成其混合物；將所述混合物在燃燒室中燃燒；含錳化合物的存在量要足以有效地降低由煤在燃燒室中燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的錳化合物是有機(jī)金屬化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述有機(jī)金屬化合物的有機(jī)部分衍生自選自醇、醛、酮、酯、酐、磺酸鹽、膦酸鹽、環(huán)烷酸鹽、螯合物、苯酚鹽、冠醚、羧酸、酰胺、乙酰丙酮化物及其混合物的物質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述的有機(jī)金屬化合物包含甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述的錳化合物選自環(huán)戊二烯基三羰基錳、甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳、二甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳、三甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳、四甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳、五甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳、乙基環(huán)戊二烯基三羰基錳、二乙基環(huán)戊二烯基三羰基錳、丙基環(huán)戊二烯基三羰基錳、異丙基環(huán)戊二烯基三羰基錳、叔丁基環(huán)戊二烯基三羰基錳、辛基環(huán)戊二烯基三羰基錳、十二烷基環(huán)戊二烯基三羰基錳、乙基甲基環(huán)戊二烯基三羰基錳、茚基三羰基錳等等，包括兩種或多種這些化合物的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的含錳化合物選自錳的氧化物、錳的硫酸鹽和錳的磷酸鹽。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的錳化合物占煤的約20ppm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的錳化合物占煤的約5-100ppm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的錳化合物占煤的約1-500ppm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的添加劑被引入將煤送入燃燒室的空氣流中。
11.一種同時(shí)降低由煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量的方法，該方法包括將煤和含有含錳化合物的添加劑混合，形成其混合物；將所述混合物在燃燒室中燃燒；含錳化合物的存在量要足以有效地降低由煤在燃燒室中燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量，其中添加劑與煤分開直接引入燃燒室中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述添加劑被引入燃?xì)庋h(huán)流中。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述添加劑被引入輸入到燃燒室中的二級(jí)氣流中。
14.一種同時(shí)降低由煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量的方法，該方法包括將煤和含有含錳化合物的添加劑混合，形成其混合物；將煤與添加劑的混合物引入到燒煤的燃燒室中；將所述混合物在燃燒室中燃燒；和含錳化合物的存在量要足以有效地降低由煤在燃燒室中燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量。
15.一種用在同時(shí)減少由煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量的煤添加劑，該添加劑包含一種錳化合物，其中錳化合物在燃燒前以煤的約1-500ppm的處理率加入煤中。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的煤添加劑，其中所述錳化合物在燃燒前以煤的約5-100ppm的處理率加入煤中。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的煤添加劑，其中所述錳化合物在燃燒前以煤的約20ppm的處理率加入煤中。
18.一種同時(shí)降低由煤燃燒所產(chǎn)生飄塵中的碳量、NOX量和一氧化碳量的方法，該方法包括將煤和含有含錳化合物的添加劑混合，形成其混合物；將所述混合物在燃燒室中燃燒；含錳化合物的存在量要足以有效地降低由煤在燃燒室中燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量、NOX量和一氧化碳量。
19.一種同時(shí)降低由煤燃燒所產(chǎn)生的一氧化碳量和NOX量的方法，該方法包括將煤和含有含錳化合物的添加劑混合，形成其混合物；將所述混合物在燃燒室中燃燒；含錳化合物的存在量要足以有效地降低由煤在燃燒室中燃燒所產(chǎn)生的一氧化碳量和NOX量。
20.一種同時(shí)降低由煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量的方法，該方法包括在至少1ppm含錳添加劑的存在下燃燒煤，由此，由所述煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量相對(duì)于含錳添加劑不存在的情況下煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量都得以降低。
21.一種通過在至少1ppm含錳添加劑的存在下燃燒煤來穩(wěn)定煤燃燒的方法，由此，由所述煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量相對(duì)于不存在含錳添加劑的情況下煤燃燒所產(chǎn)生的飄塵中的碳量和NOX量都得以降低，而且燃燒穩(wěn)定性相對(duì)于不存在含錳添加劑時(shí)煤的燃燒穩(wěn)定性也得以提高。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種添加劑和一種通過使用至少一種含錳添加劑來同時(shí)降低由煤燃燒所產(chǎn)生的灰碳和NO
文檔編號(hào)C10L10/06GK1576357SQ20041007133
公開日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2004年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月21日
發(fā)明者S·A·法克托爾, T·迪加姆貝拉迪諾 申請(qǐng)人:乙基石油添加劑有限公司