CN1438914A - 降低酸气排放和改善静电除尘器性能的氢氧化钾烟道气注射技术 - Google Patents

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Abstract

降低燃烧碳质燃料的发电厂的酸气排放的方法。用氢氧化钾干式涤气法降低烟道气中氮氧化物、硫氧化物、氯化氢和氟化氢的形成。对于用静电除尘器从烟道气中脱除颗粒物质的那些工厂，在该组件上游注入氢氧化钾还增强此组件的性能。作为附加优点，最终产品有用作肥料产品的工业实用性，而非必须在填埋场中处理掉。

Description

降低酸气排放和改善静电除尘器性能 的氢氧化钾烟道气注射技术
部分继续
本申请是1999年2月3日申请的USSN 09/243 501(US 6 085 674)的部分继续；并涉及1999年6月21日申请的临时专利申请USSN60/140174。
发明背景
1. 发明领域
本发明涉及使来自碳质燃料燃烧烟道气的酸气、氮氧化物、硫氧化物、氯化氢和氟化氢还原的氢氧化钾水溶液干涤气法。此外，如果用静电除尘器(ESP)从燃烧烟道气中脱除颗粒，其性能将得到改善。
2. 现有技术
US4 246 245；5 814 288描述以干涤气方式使用钙/镁的氢氧化物/氧化物，其中使烟道气接近其露点以增强碱-二氧化硫的反应。所述碱(浆液或干燥形式)通常在袋滤室上游加入烟道气中以碱性亚硫酸盐/硫酸盐形式捕集二氧化碳收集在袋中而从烟道气流中脱除。虽然这些方法实现了其所要达到的目的，它们只从烟道气中脱除SO2；但飞灰调节剂-三氧化硫(SO3)也要除去。采用这些技术时，如果用下游ESP收集颗粒，则因飞灰的电阻率增加而使效率受损。
干涤气方式中还已使用钠基化合物(例如US4 960 445和5 002741)。这些碱也在ESP或袋滤室上游加入烟道气中。已证明它们可有效地降低硫和氮氧化物的排放。此外，ESP性能得到改善。虽然钠基化合物可有效地降低硫和氮氧化物的排放并改善ESP性能，但它们没有经济价值。此外，钠基化合物在填埋中不符合要求，因为它们可溶而能进入地下蓄水层使水的盐度增加。虽然钠吸附剂在降低空气污染方面很有效，但使用这些吸附剂所潜在的地下水污染可抵消其降低空气污染的益处。
有许多类型的装置使二氧化硫排放降至U.S.EPA规定的水平，但不能使氮氧化物降至规定水平。在2003年，U.S.EPA将东和中西部各州在臭氧季节(五至九月)所有类型燃煤锅炉的氮氧化物排放调至0.15 lb NOx/106Btu。
大多数工业NOx降低技术不能满足此限制。虽然许多技术处于开发阶段，目前可用的保证如此低NOx排放量的唯一技术是选择催化还原(SCR)技术。所述SCR法通过添加氨和置于烟道气流下游的催化剂破坏煤燃烧过程中产生的NOx。此途径的投资和运行费用都很高。此外，煤中的砷(＜10ppmw)可使所述催化剂中毒，使其寿命缩短。而且来自所述燃烧过程的亚硫酸/硫酸铵和硫酸钙可堵塞所述催化剂，从而降低其有效性。U.S.EPA还规定颗粒物质的尺寸小于2.5微米(PM2.5)。SCR技术需要加入氨，总有一些氨与二氧化硫(SO2)和二氧化氮(NO2)反应使所述气氛(PM2.5)中细粒[(NH4)2SO4和NH4NO3]浓度提高。
本发明方法具有使用钠吸附剂时所见到的益处而不造成填埋地污染问题，提供有相当可观的肥料价值的硫酸钾/硝酸钾/飞灰混合物(据农业工程师估算所述K2SO4/KNO3的价值为$150/吨)。所述氢氧化钾喷雾干燥涤气技术可用作NOx调整(trim)与低NOx燃烧器和再燃烧技术组合使燃煤发电厂的NOx符合要求，从而提供代替所述SCR技术的可选方案。
与袋滤室组合使用时它也是一种低成本的方法，在不需任何附加SO2/NOx控制技术的情况下使小规模燃煤炉(高达50×106Btu/hr的燃煤炉)符合SO2、NOx和颗粒要求。目前，因环保规定更严格，小规模燃煤炉面临淘汰。目前可用的唯一解决方案是用较贵的流化床燃煤***代替燃煤炉，其中可控制二氧化硫和氮氧化物而且包括袋滤室以控制颗粒。因此，许多小规模燃煤炉的用户正换成投资较小的天然气炉/热水加热器。虽然投资成本较低，但换成天然气将使生产成本提高，因天然气价格比煤高而使每年的运行费用增加。这些燃煤炉需要低投资和运行费用的翻新改造技术以降低来自小型燃煤炉的氮和硫氧化物和颗粒，所述氢氧化钾干涤气器提供此技术。
发明概述
已发现一种用氢氧化钾水溶液降低来自碳质燃料燃烧烟道气的酸气；氮氧化物、硫氧化物、氯化氢和氟化氢的方法。此外，如果用静电除尘器(ESP)从所述燃烧烟道气中脱除颗粒，其性能也将得到改善。所述技术的应用优选包括在ESP或袋滤室上游增加并流烟道气喷雾塔。在所述颗粒控制装置上游使氢氧化钾(KOH)水溶液在烟道气中喷雾干燥。所述KOH与SO2和SO3反应生成K2SO4，与NO和NO2反应生成KNO3，与HCl反应生成KCl，与HF反应生成KF。这些盐以颗粒形式捕集而与所述碳质燃料的飞灰一起从ESP或袋滤室中取出。
附图简述
结合附图阅读以下详细描述将使本发明的各种其它目的、特征和优点更显而易见，这些附图仅作为举例示出，其中：
图1示出KOH和NaHCO3与SO2和NO的反应及KOH与HCl和HF的反应的反应平衡；和
图2为所述氢氧化钾喷雾干燥涤气***的示意图。
发明详述
已发现一种可用于从碳质燃料燃烧烟道气中脱除硫氧化物和氮氧化物的方法，在所述气体中使氢氧化钾喷雾干燥，所述氢氧化钾与所述硫和氮氧化物反应生成硫酸钾/亚硫酸钾和硝酸钾/亚硝酸钾。此外，这些钾盐存在于静电除尘器(ESP)的棒和板上有助于增加通过所述烟道气的电流从而提高所述棒至所述板的“火花放电”电压。电压增加改善ESP的性能。
NaTec Resources Inc.(US5 002 741)使用天然存在的碳酸氢钠(天然小苏打)，在ESP或袋滤室上游以颗粒形式注入碳质燃料燃烧烟道气中。此技术用于575MWe烧褐煤的Texas电业锅炉，使硫氧化物(SO2和SO3)排放降低70％，同时使氮氧化物(NOx)排放降低40％。此外，尽管除去SO3(飞灰调节剂)，所述钠盐还使“火花放电”电压提高从而提高ESP性能。
还显示，所述天然小苏打的粒度越小，酸气脱除和吸附剂使用效率越高。粒度为9微米时，以1.0的归一化化学计量比(NSR)脱除约100％的SO2。粒度约44微米时，在1.0的NSR下SO2脱除率降至65至70％的范围。
天然小苏打在干涤气器中表现很好从煤燃烧烟道气中脱除硫和氮的氧化物并改善ESP性能。然而，产生的硫酸钠和硝酸钠没有立即工业应用，而钠是固体废物处理中不想要的元素。所述烟道气干涤气器中产生的钠盐很易溶，必须放在费用高的粘土衬里填埋场中以阻止潜在的地下蓄水层污染。
硫酸钾和硝酸钾虽然在化学上与相应的钠盐类似，但它们是想要的盐，在肥料工业有潜在的市场。虽然不容易对比钠和钾化合物与SO2和NO反应的动力学速率；但对于所关注的烟道气温度范围可用JanafThermochemical Tables计算碳酸氢钠NaHCO3和KOH与SO2和NO反应的平衡系数：
       
       
                   和
   
   
这些反应的对比平衡系数示于图1中。可见，所述KOH反应的平衡系数比NaHCO3的高得多。因而，预计KOH在从烟道气中脱除硫和氮的氧化物方面将比NaHCO3更有效。此外，对于氢氧化钾与其它烟道气酸组分反应计算以下反应平衡：
          
          
          
如图1中所示，三氧化硫比卤素气体(HCl和HF)更利于与KOH反应，但这三种酸气都将在一定程度上脱除。在25ppmv和更大的烟道气浓度下SO3可产生蓝白色不透明度(opacity)问题。燃油发电厂在高燃烧温度下操作和飞灰中含有促进SO3生成的五氧化二钒时通常可看见SO3不透明度。
还公知吸附剂粒度越小，单位重量的表面积越大，其反应性越高。因而，以溶液形式注入KOH将有无穷大的用于反应的表面积，在所述喷雾干燥涤气器中将迅速实现100％KOH利用率。
所述喷雾干燥涤气器中所用氢氧化钾水溶液可以是从低于1％至标称50％(重)的任何可泵送浓度的。针对每一应用确定氢氧化钾加入烟道气的速度，取决于烟道气速度和烟道气中SO2、SO3、NO、HCl和HF的浓度。KOH的速度针对具体应用根据要求的酸气降低程度设定。对于任何应用KOH的速度都将设定至产生要求的(考虑所有酸气的摩尔浓度)化学计量比(NSR)。在NSR为1的情况下，有精确地足以与所有酸气反应的KOH。如果所述技术仅用于控制SO3不透明度，则所述速度将设定在使SO3(也降低其它酸气)降至所述烟道气失去其蓝白色雾的水平，通常在10至20ppmv的含量下没有雾。如果所述KOH仅用于改善ESP性能，则所述速度设定在产生导致要求的ESP性能的注入烟道气中的KOH反应物浓度。
本发明方法一典型实例示于图2中。本领域技术人员将理解可对此图进行某些改变，而此改变仍在在本发明范围内。图2所示实施方案中，在烟道气颗粒控制装置8的上游增加喷雾干燥塔2。烧碳质燃料的锅炉上颗粒控制装置上游烟道气的温度通常在250至500°F的范围内。KOH溶液(例如25％KOH)泵入喷雾干燥塔中，在其中使之雾化进入烟道气流1中。
所述喷雾可以相对于烟道气流逆流或错流的方向注入；优选如图2中所示以并流方向注入。可用机械或双流喷嘴5使KOH溶液雾化。可用空气、水蒸汽或惰性气体作雾化流化。由于KOH溶液与热烟道气密切接触，所述雾化溶液的水组分蒸发，KOH在分子水平与烟道气流中的酸气组分反应。产生的钾盐(悬浮中)离开塔7进入颗粒控制装置。颗粒控制装置8可以是静电除尘器、袋滤室、或其它类型的颗粒控制装置。包括所述钾盐的颗粒以干燥形式9从气流中脱除。烟道气10离开颗粒控制装置，通过烟囱进入大气中。
与所述钾盐混合的飞灰可作为肥料出售。或者，如果使用湿式静电除尘器，可使所述可溶性钾盐与飞灰分离(盐在溶液中)，然后在适用的结晶器中沉淀、过滤和干燥制成更浓的K2SO4/KNO3肥料产品。
已详细地描述了本发明的具体实施方案，在本公开的总教导下开发各种修改和改变对于本领域技术人员是显而易见的。因此，所公开的特殊排列是要举例说明而不限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其任何和所有等同物的全部宽度给出。

Claims (15)

1.一种降低来自碳质燃料燃烧烟道气的氮氧化物(NOx)和/或硫氧化物(SO2和SO3)排放的方法，所述方法包括以下步骤：
a)在颗粒控制装置上游的烟道气接触装置中加入氢氧化钾水溶液，其中在所述烟道气中使所述氢氧化钾水溶液雾化；
b)在所述烟道气接触装置中提供足以使所述氢氧化钾水溶液的水蒸发并使所述氢氧化钾与所述烟道气中所含酸气反应生成钾盐的停留时间；
c)通过颗粒控制装置脱除包括与来自烟道气的碳质燃料飞灰共混的所述钾盐的颗粒；和
d)所述脱除的颗粒准备用作固体肥料。
2.权利要求1的方法，其中所述碳质燃料包括无烟煤、生煤、次生煤和褐煤、焦油及其乳液、沥青及其乳液、天燃气、丙烷、丁烷、石油焦、石油及其乳液、煤的水和/或油浆、造纸厂污泥固体物、污水污泥固体物类之一或多种及此类内所有燃料的组合及其混合物。
3.权利要求1的方法，其中所述氢氧化钾水溶液包含低于1％(重)氢氧化钾至标称50％(重)氢氧化钾。
4.权利要求3的方法，其中所述氢氧化钾水溶液包含在约20至50％(重)之间的氢氧化钾。
5.权利要求1的方法，其中所述烟道气接触装置包括选自管内注射、喷雾塔注射和其它类型的适合烟道气-氢氧化钾溶液接触装置的一或多种装置。
6.权利要求1的方法，其中所述氢氧化钾水溶液以相对于所述烟道气流方向的并流、错流或逆流方向喷入所述碳质烟道气流中；最优选所述溶液以并流方向喷入所述烟道气流中。
7.权利要求1的方法，其中用机械或双流喷嘴使所述氢氧化钾水溶液雾化。
8.权利要求7的方法，其中用于所述双流喷嘴的雾化流体包括选自空气、水蒸汽、氮气或惰性气体发生气的一或多种。
9.权利要求1的方法，其中所述颗粒控制装置包括选自干式静电除尘器、湿式静电除尘器、袋滤室、湿式涤气器或其它高效颗粒脱除装置的一或多种。
10.权利要求9的方法，其中所述沉淀、过滤和干燥设备包括选自结晶器、过滤器、离心机、回转窑式干燥器、流化床干燥器、喷雾干燥器、螺旋干燥机和其它适用的分离/干燥装置的一或多种。
11.权利要求1的方法，其中所述飞灰和主要包括硝酸钾和硫酸钾的所述钾盐以干燥状态收集作为用作肥料或肥料组分的共混产品。
12.权利要求1的方法，其中主要包括硝酸钾和硫酸钾的所述钾盐收集在溶液中，与飞灰颗粒分离，然后从溶液中沉淀、过滤和干燥用作肥料或肥料组分。
13.权利要求1的方法，其中所述氢氧化钾加入包括选自结晶器、过滤器、离心机、回转窑式干燥器、流化床干燥器、喷雾干燥器、螺旋干燥机和其它适用的分离/干燥装置的一或多种沉淀、过滤和干燥设备中。
14.权利要求1的方法，其中将氢氧化钾喷雾注入烟道气流中以降低烟道气中的三氧化硫引起的烟道气不透明度，氢氧化钾的加入速度使烟道气中三氧化硫降至25ppmv或更低的水平。
15.权利要求1的方法，其中所述氢氧化钾喷雾注入烟道气流中以通过提高除尘器的“火花放电”电压改善静电除尘器的性能，氢氧化钾的加入速度是这样的以提供要求的性能。
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