TWI398614B - 排氣處理及熱回收系統 - Google Patents

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Description

排氣處理及熱回收系統
本發明大致係關於與化石燃料燃燒爐一起使用之排氣處理及熱回收(EPHR)系統及方法。更具體而言，本發明係關於一種EPHR系統，其中將鹼性顆粒引入一煙道氣流中，以允許額外之熱提取且減少空氣預熱器設備之積垢。
本申請案主張James W. Birmingham及Kevin J. O'Boyle於2009年9月25日申請之標題為「排氣處理及熱回收系統(Exhaust Process and Heat Recovery System)」之美國申請案序號第61/245,822號之優先權，且在該優先權申請案與本申請案不相衝突之程度上併入該優先權申請案之材料。
許多發電系統係由經由燃燒化石燃料(諸如，煤或石油)之爐產生之蒸汽而驅動。圖1A所示之圖中大體描繪了一典型之發電系統。
圖1A顯示一發電系統10，其包含一蒸汽產生系統25及一排氣處理及熱回收系統(EPHRS)15及一排氣煙囪90。該蒸汽產生系統25包含一爐26。該EPHRS 15可包含一再生式空氣預熱器50、一顆粒移除系統70及一滌氣器系統80。設置一強制通風(FD)扇60，以將空氣經由入口51引入該空氣預熱器50之冷側。該顆粒移除系統70可包含，例如，一靜電集塵器(ESP)，及/或一織物過濾系統(袋濾捕塵室)或此類物。滌氣器系統80可包含，例如，一濕法或乾法煙道氣脫硫(WFGD/DFGD)系統。
該再生式空氣預熱器50有助於增加爐26之熱效率，從而降低其操作成本及溫室氣體之排放。空氣預熱器50係經設計在空氣被引入另一處理(例如，一爐26之燃燒室)之前對該空氣加熱之裝置。存在不同類型之再生式空氣預熱器，包括彼等包含移動式或旋轉式熱交換元件者，例如，空氣預熱器。其他再生式空氣預熱器使用固定的熱交換元件及/或經固定至剛性空氣及/或氣體導管之內部旋轉蓋或管道。
圖1B及圖1C係大體描繪一習知旋轉再生式預熱器50之圖。典型之空氣預熱器50具有一可旋轉地安裝於一殼體524中之轉子512。該轉子512係由若干隔膜或隔板516所形成，該等隔膜或隔板516自一轉子支柱518徑向延伸至該轉子512之外周。
該等隔板516界定介於其等之間之隔室520。此等隔板516包含熱交換元件籃架總成522。各個籃架總成522包含一個或多個特別形成之熱傳表面之片，其等亦被稱為熱交換元件542。該等熱交換元件542之表面積相當大，一般在數百平方英尺之級別。
在一典型的旋轉再生式空氣預熱器50中，該煙道氣流FG1及該燃燒空氣流A1自該空氣預熱器50之相對的端/側進入該轉子512中且在相反的方向上通過容納於該等籃架總成522內之熱交換元件542上方。因此，該冷空氣入口51及經冷卻煙道氣出口54係位於該空氣預熱器50之一端(一般被稱為冷端544)，及該熱煙道氣入口53及經加熱空氣出口52係位於該空氣預熱器50之相對端(一般稱為熱端546)。扇形板536鄰近該轉子512之上面及下面延伸穿過該殼體524。該等扇形板536將該空氣預熱器50分割成一空氣扇形區538及一煙道氣扇形區540。
圖1B及圖1C中所示之箭頭指示煙道氣流FG1/FG2及該空氣流A1/A2穿過該轉子512之方向。穿過該煙道氣入口53進入之該煙道氣流FG1將熱轉移至安裝於定位在該煙道氣扇形區540中之隔室520中之籃架總成522中之熱交換元件542。受熱之籃架總成522接著被旋轉至該空氣預熱器50之該空氣扇形區538。該籃架總成522所儲存之熱接著被轉移至穿過該空氣入口51進入之該空氣流A1。冷煙道氣FG2流通過該煙道氣出口54離開該預熱器50且受熱之空氣流A2通過該空氣出口52離開該預熱器50。
回頭參考圖1A，空氣預熱器50加熱經由FD扇60引入之空氣。自該爐26之燃燒室逸出之煙道氣(FG1)經由入口53被該空氣預熱器接收。熱自該煙道氣(FG1)被回收且被轉移至輸入空氣(A1)。受熱空氣(A2)被饋入該爐26的燃燒室，以增加該爐26之熱效率。
在爐26中之燃燒過程期間，用於點燃該爐26之燃料中之硫被氧化成二氧化硫(SO2 )。在該燃燒過程之後，一些量之SO2 被進一步氧化成三氧化硫(SO3 )，且一般有1%至2%左右之量變成SO3 。SO2 及SO3 將穿過該爐26之燃燒室且進入該排氣煙道中，成為煙道氣FG1之一部分，該煙道氣FG1接著將自該蒸汽產生系統25逸出且由空氣預熱器50之該入口53所接收。在合適的溫度範圍中存在氧化鐵、釩及其他金屬允許此氧化(作用)發生。廣為人知的是，選擇性催化還原(SCR)亦被用於將該煙道氣FG1中之一部分SO2 氧化成SO3 。
由於熱被該空氣預熱器自該煙道氣FG1中回收/提取，故該煙道氣FG1之溫度降低。期望自該煙道氣中移除最大量之熱且將該熱轉移至行進至該爐或該燃料磨粉機之受熱空氣，以最優化電廠之熱效率。額外之熱提取允許在該煙道氣出口之下游設計/使用顆粒收集設備、氣體清潔設備、管道及煙囪，其等適用於較低溫度範圍及減低之體積流率。該較低之溫度額定值及較低流率意味著，由於不必提供能夠承受較高溫度及較高流率之設備，可大為節約成本。然而，較低之煙道氣溫度範圍會導致可能存在於該煙道氣中之三氧化硫(SO3 )或硫酸(H2 SO4 )蒸氣過度凝結。因此，硫酸會累積於該空氣預熱器50的該等熱交換元件522之表面上。該煙道氣流中之飛灰可由存在於該等熱傳表面上之凝結酸收集。此酸會使得飛灰更牢固地黏附至表面上。此「積垢」過程會阻礙空氣及煙道氣流經該空氣預熱器，導致穿過該空氣預熱器之增加壓降及較低之熱傳效能。
在一段時間之後，酸及飛灰在該空氣預熱器50之表面上之累積生長得如此大，以致於必須將其等移除，以維持該空氣預熱器之熱效能及可接收之壓降。此一般係藉由週期性地(例如，每日三次)以壓縮空氣或蒸汽對該熱傳表面進行「吹灰」，以將當該空氣預熱器操作時累積於該熱傳表面上之沉積物移除而達成。此外，視需要，在該爐26被關閉且進行維修操作時之蒸汽產生系統25之停止運行期間，可以水清洗該空氣預熱器。
降低該煙道氣出口溫度之一潛在益處在於，該顆粒移除系統70及滌氣設備80可經設計用於一較低的操作溫度。該溫度較低之煙道氣體積流率亦較低。煙道氣溫度、體積及酸度之降低可減少與設計用於該煙道氣中較高體積流率、較高操作溫度或較高SO3 /H2 SO4 濃度之設備相關聯之操作成本及資金成本。若該酸未經凝結及/或中和以防止該等熱傳表面之過度積垢，則將存在此等情況。一旦該煙道氣排氣已經過顆粒移除及滌氣操作，則其隨即可引入該排氣煙囪90，以在一寬闊地理區域上升高及分散。
自煙道氣中提取熱係有益且用於執行一典型發電廠中之各種操作。然而，在現有之燃煤及/或燃油蒸汽產生系統中，將額外之熱自排氣流中移除係成本高昂。過度降低該煙道氣溫度而不考量該煙道氣中H2 SO4 蒸汽之額外凝結將導致該空氣預熱器中之熱傳表面之過度積垢。因此，工業上需要解決上述缺陷及不足。
本發明可體現為一種使用一空氣預熱器250自具有酸性物質及煙道氣顆粒之一煙道氣流FG1中提取熱之方法，該空氣預熱器250具有一煙道氣入口253、煙道氣出口254及複數個熱交換表面542，該方法包括下列步驟：將一煙道氣流FG1接收於該空氣預熱器250之該煙道氣入口253中；計算在該煙道氣FG1中穿過之酸性物質之質量流率；計算待注入該煙道氣流FG1中來中和該酸性物質之鹼性顆粒275之質量流率；將具有一粒度分佈之鹼性顆粒275以所計算之質量速率注入該空氣預熱器250上游之該煙道氣流中；計算顆粒之累積程度；基於顆粒之該累積程度，調整被注入該煙道氣中之該等鹼性顆粒275之粒度分佈及該等鹼性顆粒275被注入該煙道氣中之該質量流率中之至少一者；從而降低煙道氣顆粒在該等熱交換元件542上之累積，並減少該空氣預熱器內之積垢，且從而增加該空氣預熱器250之熱效率。
可藉由測量跨該空氣預熱器250自該煙道氣入口253至該煙道氣出口254之壓降且比較所測量之該壓降與至少一個預定臨限值來計算積垢程度。
當使用具有一轉子(其係藉由一由具有變化電壓V之電流I供電之馬達而旋轉)之一旋轉空氣預熱器時，可藉由測量該電壓V及電流I，且將於測量電壓下之測量電流與相同電壓下之一預定電流比較來確定一電流差而計算積垢程度。將電流I差與經預儲存之轉換資訊比較，以確定積垢程度。
本發明亦可體現為一種降低用於自產生具有酸性物質及煙道氣顆粒之煙道氣之一爐26中回收熱之一空氣預熱器250之積垢之方法，該方法包括下列步驟：提供一耦合至該爐26之空氣預熱器250，以於一煙道氣入口253處接收該煙道氣FG1，使該等煙道氣FG1通過複數個熱交換板542且使該等煙道氣由一煙道氣出口543排出；感測或計算該等煙道氣中之酸性物質之質量流率；計算足以中和該等煙道氣中之該等酸性物質所需之鹼性顆粒之質量流率；將該等鹼性顆粒275以所計算之該質量流率注入進入該空氣預熱器250中之煙道氣中；感測自該空氣預熱器250之該煙道氣入口253至該煙道氣出口254之壓降；當所感測之壓降大於一預定臨限值時，增加被注入該等煙道氣中之鹼性顆粒275之質量流率，且當所感測之壓降低於一預定臨限值時，降低被注入該等煙道氣中之鹼性顆粒275之該質量流率；及在該爐26之操作中重複上述步驟，以減少該空氣預熱器250之積垢，從而允許其更有效地提取熱。由於降低了該熱交換器之該出氣口溫度，且該空氣預熱器內未發生過度積垢或腐蝕活動(若未藉由注入該空氣預熱器之上游之該煙道氣流中之鹼性物質來將SO3 /H2 SO4 凝結或中和，則會發生此等活動)，可自煙道氣提取超過利用當前空氣預熱器設計技術所可達成程度之額外熱。
本發明亦可體現為一種排氣處理及熱回收(EPHR)系統215，其係用於更有效地自一產生具有酸性蒸氣及挾帶煙道氣顆粒之受熱煙道氣FG1之爐26回收熱，該系統包括：一耦合至該爐26之空氣預熱器250，該空氣預熱器250具有：一適於接收該等煙道氣FG1之煙道氣入口253，複數個用於自該等煙道氣提取熱之熱交換板522；及一用於在該煙道氣流FG2已通過該等熱交換板522之後將該煙道氣流FG2排出之煙道氣出口254；用於監測該等煙道氣內之物理及化學條件之煙道氣感測器310；適於測量自該空氣預熱器入口253至該空氣預熱器出口254之壓降的壓降感測器301、303；一鹼注入系統276，其回應於來自另一裝置之控制信號，以在致動時將鹼性顆粒275注入一空氣預熱器250上游之一煙道氣流FG1中；及一PLC控制器305，其適於基於該等所感測之煙道氣條件來計算鹼性顆粒275之質量流率；且適於控制該鹼注入系統276以注入經計算質量流率之鹼性顆粒275，來中和該等煙道氣中之該等酸性物質。
本發明亦可體現為一種有效的低成本爐系統，其具有：
a.一化石燃料爐，其產生受熱之煙道氣；
b.一耦合至該爐之空氣預熱器，其適於接收受熱的煙道氣，中和該等受熱煙道氣中之酸，為該爐提取受熱之燃燒空氣，提取待用於該系統中之他處之額外之受熱空氣，將煙道氣溫度降低至低於一煙道氣酸露點，降低離開該預熱器之煙道氣之體積；及
c.煙道氣處理設備，其被耦合至該空氣預熱器及其之下游，較之用於不含中和煙道氣酸之空氣預熱器之系統上之煙道氣處理設備，該煙道氣處理設備更精簡且成本低。
熟悉此項技術者在審查下文圖式及詳盡描述之後，將可輕易明瞭本發明之其他系統、方法、特徵及優點。所有此等額外系統、方法、特徵及優點意在被包含於此描述內，屬於本發明之範圍內且受隨附申請專利範圍之保護。
熟悉此項技術者參考附圖可更好地理解本發明且本發明之諸多目的及優點亦將顯而易見。
本發明之目的在於提供一種當該煙道氣穿過該再生式空氣加熱器之氣體側時自該煙道氣提取更多熱，而不會導致該再生式空氣預熱器下游設備之熱傳表面變得過度積垢或腐蝕之方法。
本發明旨在控制凝結及累積於一空氣預熱器之熱傳元件上之酸之量，且從而提高該空氣預熱器自來自例如一爐之燃燒室的一煙道氣流FG1中提取熱之效能。本發明之一進一步態樣旨在控制該等熱傳表面上之沉積物之「濕度」，使得該沉積物可維持在允許其(該沉積物)在該空氣預熱器之操作期間輕易移除之條件下。本發明之一進一步態樣係針對一種空氣預熱器，其係經組態以由於該空氣預熱器自該煙道氣流中提取熱之增加效率而允許分佈提取自該煙道氣流FG1之額外熱。
降低進入該空氣加熱器中的SO3 濃度，及在該煙道氣通過該空氣預熱器時自該煙道氣提取熱之一額外方式將具有多種益處：(1)離開該空氣加熱器之煙道氣體積流速將減小，(2)該空氣側流(一般稱為初級及次級空氣)之預熱溫度得以升高，及(3)可獲得呈經預熱空氣形式之額外能量，供用於發電廠之其他地方。此額外能量之潛在用途為：預熱鍋爐給水，乾燥粉煤，將該粉煤運送至燃燒器，將能量提供至後燃燒CO2 捕集系統，再加熱煙道氣，以減少可見之水蒸氣煙羽或用於一發電廠內其他需要熱之用途。
圖2A及圖2B係大體描繪根據本發明之一排氣處理及熱回收系統215之實施例之圖。圖2A係描繪一EPRS 215之一實施例之圖，該EPRS 215包含一鹼注入系統276，以在該煙道氣流FG1由該空氣預熱器250經由入口253接收之前交互地將鹼性顆粒275之吸收劑引入該FG1中。鹼注入系統276具有選擇性地將各種粒度分佈之鹼性顆粒275引入該吸收劑中之能力。
在此實施例中，該EPRS 215包含一再生式空氣預熱器250、一顆粒移除系統70及一滌氣器系統80。設置一FD扇60，以將一空氣流A1經由入口251引入該空氣預熱器250之該冷側。該顆粒移除系統70可包含，例如，一靜電集塵器(ESP)、及/或一織物過濾系統(袋濾捕塵室)或此類物。滌氣器系統80可包含，例如，一濕式或乾式煙道氣脫硫(WFGD/DFGD)系統。
在該EPRS 215之操作期間，該煙道氣FG1中之三氧化硫(SO3 )及水蒸氣(H2 O)於該空氣預熱器250上游之該煙道氣之操作溫度範圍內可結合形成酸性蒸氣。一旦包含此酸性蒸氣之煙道氣到達該空氣預熱器250，當該煙道氣被冷卻至低於其酸露點溫度時，其將與該空氣預熱器250中的多個表面(包括熱傳元件(圖1B的542))接觸並凝結及累積於其等之上。凝結酸之此累積將藉由將飛灰顆粒收集並保留於該熱傳表面之表面上而「妨害」該空氣預熱器的操作，因此阻礙該煙道氣FG1流經該空氣預熱器250。此導致通過該空氣預熱器之壓降過大且自該煙道氣流FG1至該輸入空氣流A1之有效熱傳總體上降低。
該酸性蒸氣及凝結酸可總稱為「酸性物質」。
本發明之一實施例採用多個煙道氣感測器310，其等監測該煙道氣之物理及化學參數。根據該等感測器之用途，其等可位於該空氣預熱器250之該入口或出口處或該空氣預熱器250內之其他位置。
一可程式化邏輯控制器(「PLC控制器」)305讀取感測器資訊且確定適於中和該等煙道氣中之該酸性物質之合適的質量流率。此質量流率亦可藉由自空氣及燃料燃燒條件計算而確定，該等條件係藉由用於化石燃料燃燒爐中之各種資料傳送方法而自該爐傳送。該控制器亦可控制一鹼注入系統276，使其將大小合適之鹼性物質以所計算之質量流率注入該煙道氣入口253上游之煙道氣中。
鹼性顆粒275(諸如粉末狀石灰石或其他鹼性物質)被作為吸收劑引入該空氣預熱器250上游之該煙道氣流FG1中(即，在該煙道氣流FG1到達該空氣預熱器250之前)。此等顆粒在該煙道氣流FG1內作為該等酸性蒸氣之凝結位置，且接著用於中和經凝結之酸。該酸之凝結及中和均係當該煙道氣被冷卻至一將起始該酸性蒸氣之凝結之溫度時於該空氣預熱器內側發生。在該煙道氣流FG1流經該空氣預熱器250時，將一足夠的質量量(例如，鹼性顆粒與飛灰濃度之質量比為1%至25%)引入該FG1中將使得大部分的酸中和。然而，嚴格按照化學計量基礎將鹼性物質引入該煙道氣流中無法最有效地控制由酸在該空氣預熱器250中之累積而造成之積垢。為了更有效地控制酸在該空氣預熱器內之產生及累積，經提出引入該煙道氣流FG1中之鹼性顆粒具有一變化之大小(直徑)範圍。
藉由在該煙道氣流經該空氣預熱器內之該等熱傳表面時測量該煙道氣之溫度梯度，且控制被引入該煙道氣流FG1中之鹼性顆粒之質量量及粒度分佈，可控制當該煙道氣流經該空氣預熱器250時，酸凝結及保留於該熱傳表面上及該煙道氣中之程度。
由該典型之煤燃燒而產生之飛灰顆粒之大小自低於0.01微米變化至大於100微米。該煙道氣流FG1中之飛灰顆粒或其他顆粒物質之直徑越小(一般直徑小於5微米)將傾向於為可能存在於該煙道氣流FG1中之H2 SO4 蒸氣提供凝結及潛在中和之良好核心。
若該凝結在該熱傳表面上產生一無法藉由於該空氣預熱器操作時所採用之清潔方法移除之沉積物，則該沉積物將累積至無法維持該空氣預熱器之正常操作之程度。然而，當該凝結過程與該中和過程(其可當向該煙道氣流中注入具有合適粒度分佈之合適質量量的鹼性物質時發生)組合時，則可維持該空氣加熱器之成功操作。該中和過程將導致殘留於該熱傳表面上及嵌於空氣預熱器內之該等顆粒沉積物中之酸之量減少。
控制該空氣預熱器內之積垢之效能之一重要因素係煙道氣顆粒與煙道氣中之鹼性顆粒接觸該等空氣預熱器交換元件(圖1B之542)之多個熱傳表面之位置，以及該等顆粒之大小。較小之顆粒跟隨該煙道氣流之趨勢更大且撞擊該等熱交換元件之表面之趨勢較小。大顆粒(一般大於15微米)具有較大動量且撞擊該等熱交換元件之表面之趨勢較大。若該顆粒之表面上或該等熱交換元件之表面上存在很少或不存在酸，則大顆粒離開(而不累積於)該等熱交換元件之表面上之趨勢較大。若小顆粒未牢固地黏結至空氣預熱器表面上，則大顆粒亦可將小顆粒自該等表面(諸如該等熱傳元件)「洗滌」或侵蝕掉。
一般而言，將鹼性顆粒注入至該空氣預熱器下游之目的在於控制SO3 煙羽排放且加強藉由袋濾捕塵室或集塵器移除水銀。然而，這不會影響該空氣預熱器之積垢。
在本發明中，該等鹼性顆粒係被注入至該空氣預熱器之該進氣口上游之管道中。必須經由該注入系統分佈該等顆粒，以確保有足夠量之鹼性物質被均勻地分散在該管道之整個截面，以確保一旦該煙道氣流進入該空氣預熱器中且被冷卻至其露點溫度或與該空氣加熱器內之在低於該酸露點溫度下之該等熱傳表面接觸，則可發生該凝結及中和過程。
當包含三氧化硫及水蒸氣之煙道氣處在低於該酸露點之一溫度下時，硫酸凝結成液體。凝結將發生在該空氣預熱器內之溫度低於該局部露點溫度之表面上，且在進一步冷卻之後，其亦可在該氣流自身內部發生。
當該氣流達到一超飽和狀態時，硫酸可在無挾帶顆粒存在之情形下藉由自成核而凝結。這一般發生於該煙道氣溫度低於該局部酸露點時。若該氣流包含挾帶顆粒，則此等顆粒作為成核位置，且於更接近該局部露點之溫度下發生凝結。
一般而言，當小顆粒存在於該氣流內時，該等小顆粒首先發生凝結。這是由於小顆粒之表面積對體積比較大，且此允許該等小顆粒在冷卻期間更密切地跟隨煙道氣溫度。大顆粒具有較小的(表面積對體積)比，使其等保留更多的熱，且在冷卻之後，其等保持比周圍的煙道氣更溫熱。因此，為了在一經注入之鹼性顆粒上優先凝結及化學中和酸-(而非在原有飛灰上凝結，該等飛灰由於其之組成而具有極小的中和能力)，該(鹼性)顆粒之大小應小於大多數原有飛灰顆粒之大小。
如先前所述，酸凝結始於溫度處於或低於該酸露點之彼等熱傳表面上。為了將此酸充分地消耗至一使得該等熱傳表面上之沉積物可藉由吹灰或水洗而移除之水準，該等鹼性顆粒必須以一足以中和該飛灰中之酸之合適速率沉積於該等浸酸熱傳表面上。因此，在此位置，該鹼性顆粒之作用與在一最佳成核位置時之作用鮮有相同之處，且該鹼性顆粒之大小要求係不同。
該等氣體挾帶顆粒之物理動量係大多數顆粒到達該空氣預熱器內之該等熱傳元件的表面所憑藉之方式。假設所有顆粒具有相同密度，且以與周圍煙道氣相等之速率行進穿過該空氣預熱器，則小顆粒因其較小的質量而動量較小。因此，假設煙道氣中挾帶之數量相同，則小顆粒在該等熱傳表面上將具有一較小的沉積速率。若需要較大的沉積速率來消耗凝結於該熱傳表面上之酸，則較之於增加該氣流中之小鹼性顆粒之數量，採用大鹼性顆粒係一較佳選擇。
當該等顆粒之粒度分佈滿足上述兩個不同目的時，可達成鹼性顆粒之最佳注入速率。此粒度分佈可能顯雙峰，包括小粒度及大粒度二者之範圍。
可進一步確認酸將凝結於該空氣預熱器內之何處。亦可計算且改變該鹼性顆粒分佈，以「標定」該空氣預熱器內供沉積該等鹼性顆粒之位置。
隨著煙道氣流經該空氣預熱器，該煙道氣冷卻。這使得產生一溫度梯度。若知曉該入口溫度及出口溫度，則可估計跨該空氣預熱器兩端之溫度梯度。
隨著煙道氣流經該空氣預熱器，該煙道氣喪失流率。同樣地，若知曉該入口流率及該出口流率，則可估計此速率梯度。
該等鹼性顆粒受到該等流動之煙道氣之力。施加於一顆粒上之該煙道氣之力取決於該煙道氣流率、該顆粒之抗風性及該顆粒之重量。
該等顆粒亦因其等之運動而具有動量。該顆粒之動量係基於該顆粒之流率及質量。
當該煙道氣之力之大小不足以改變該顆粒之動量引導其離開一表面時，該顆粒會撞擊該表面。若該表面具有凝結酸，則該顆粒極有可能黏附至該表面。若該顆粒為一鹼性顆粒，則其中和一部分該凝結酸。
較小的顆粒具有大的表面積/質量比，且因此每單位質量具有一高抗風性。較大的顆粒具有一較小的表面積對質量比，且因此每單位質量具有較低的抗風性且受該煙道氣之力的影響較小。
在相同的流率下，具較大質量的顆粒具有一較大的動量。
假設所有顆粒的密度相同，則較大的顆粒具有較大的質量。
隨著顆粒行進穿過該空氣預熱器，其等喪失速度。若該煙道氣之力變得足夠弱(歸因於較低速度)，以致其等無法改變該顆粒之動量使其離開一表面，則該等顆粒會撞擊該空氣預熱器內之多個表面。
該等顆粒在撞擊一表面之前行進穿過該空氣預熱器之距離取決於該粒度。極小之顆粒可被煙道氣帶出該預熱器而完全不會撞擊一表面。因此，該粒度指示一顆粒將要沉積之位置且粒度分佈指示多少顆粒將沉積於該空氣預熱器內之不同位置。若該粒度分佈在一合適大小範圍內係連續的，則該等顆粒將覆蓋該空氣預熱器內之一相連區域。因此，若確定該等酸將凝結之位置，則可選擇粒度分佈，以使大部分顆粒沉積於預期酸將凝結之位置。
該鹼性物質之粒度分佈以及鹼性物質之質量量係控制該空氣預熱器內之積垢程度之因素。經引入該煙道氣流FG1中之鹼性物質之總量必須充足，然而，亦必須提供該粒度分佈，使該等鹼性顆粒實際上接觸該空氣預熱器內傾向於發生酸凝結/累積處之該等熱傳表面位置。隨著該煙道氣流FG1中之該酸被中和及消耗，累積物黏性變得較小且可更容易地以吹灰及/或水洗技術移除。在該煙道氣流FG1中或該熱傳表面上不存在凝結酸之情形下，顆粒(諸如飛灰)不會在該等熱交換元件之表面上形成具有強黏附性質之沉積物，且因此將不會在該等熱交換元件上累積至將阻礙該煙道氣FG1流經該空氣預熱器之厚度。流經該空氣預熱器之煙道氣FG1受阻越小，則該空氣預熱器可自該煙道氣流FG1提取越多熱。
在本發明之一實施例中，被引入該煙道氣流FG1中之鹼性顆粒具有一雙峰粒度分佈。此等鹼性顆粒包含「小」顆粒及「大」顆粒。該等小顆粒之直徑大小較佳在1微米至15微米之範圍內，而該等大顆粒的大小在15微米至150微米之範圍內。一般而言，經引入該煙道氣流FG1中的所有顆粒的直徑大小將在1微米至250微米之範圍內。需注入至FG1中的鹼性物質之質量量係取決於FG1中之SO3 /H2 SO4 濃度、該煙道氣流率、FG1中之飛灰之質量量及FG1中之飛灰之化學組成。一般而言，FG1中的SO3 /H2 SO4 濃度越高，則必須注入之鹼性物質之質量量越高。具有一較高鹼含量之飛灰一般將需要向FG1中注入較少鹼性物質，因為該飛灰之原有鹼性將有助於中和及消耗該煙道氣流中之H2 SO4 。較佳在該煙道氣流FG1到達該空氣預熱器之前將該等鹼性顆粒引入該煙道氣流FG1中。煙道氣感測器310可包含一煙道氣流率感測器、一顆粒濃度感測器及/或一取樣感測器，以測量該等煙道氣顆粒之鹼性。
此等顆粒可經由例如作為一乾燥物質或作為一液體漿液引入該煙道氣流FG1中，該乾燥物質或液體漿液係經由一分佈系統(諸如噴嘴或注入裝置(注射器))注入，以將該等顆粒引入該煙道氣流FG1中。該分佈系統可安裝於通向該空氣預熱器之該進氣管道中。該分佈系統較佳係經組態使得在該煙道氣流FG1進入該空氣預熱器時鹼性物質係均勻且充分地分佈在整個煙道氣流FG1中。鹼分佈系統276可使用壓縮空氣作為乾式注入之運輸介質，或可使用經由泵供給之水作為濕式注入之運輸介質。乾式注入係將該等鹼性顆粒引入FG1中之較佳方法，但經設計在FG1中提供充分駐留時間以使水蒸發且乾燥該等鹼性顆粒的濕式系統亦為合適的方法。
可藉由監測與該空氣預熱器及發電廠操作關聯之若干操作參數來控制每單位時間被注入的鹼性吸收劑之質量量。此資訊可自總體發電廠控制系統收集，或藉由安裝特定的資料收集儀器而獲得。向控制一鹼注入系統276之一PLC控制器305提供此輸入。待注入之吸收劑之量將是進入該空氣預熱器中之該煙道氣之質量流率及溫度以及進入該空氣加熱器中之該煙道氣中的SO3 及水蒸氣濃度之函數。可自該燃料中之硫含量、該爐中之空氣/燃料比、以及離開安裝於該空氣預熱器上游之該爐及催化系統之該煙道氣之溫度來計算進入該空氣預熱器中之煙道氣中的SO3 含量。可自該燃料燃燒系統之燃燒效率特徵來計算該煙道氣中的SO3 含量。大多數此等參數係可自用於操作該爐26之工業系統控制器(未圖示)讀取，藉由煙道氣感測器310在該煙道氣流中直接測量，或藉由濕式化學法或市售之其他合適的儀器測量。一般而言，離開該空氣預熱器之該煙道氣之溫度越低，該空氣預熱器內之熱傳表面之溫度就越低。因此，凝結及累積於該等熱傳表面上的酸之量將隨著該出氣口溫度之降低而升高。因此，較低的出氣口溫度或較低的熱傳表面溫度操作將需要一較大速率之吸收劑質量流量注入，以防止該空氣預熱器被一過於「潮濕」而難以移除之沉積物過度積垢。
大鹼性顆粒之另一益處在於其等有助於「洗滌」存在於該等熱傳表面上之沉積物的自然傾向。同樣地，產生洗滌效果之粒度與最佳成核位置之大小將鮮有共同點，且可能與用於消耗凝結於該熱傳表面上的酸之顆粒具有不同的大小。
上述參數經測量且作為輸入饋送至該PLC控制器305。該PLC控制器305可用於控制在整個操作期間被注入該空氣預熱器中之鹼性吸收劑之粒度分佈及/或量。例如，隨著進入該空氣預熱器250中的煙道氣之質量流量減少，該PLC控制器305將再計算因該變化而需要之吸收劑之量，同時亦測量在當前狀態下其他參數之因子，以完成計算所需的吸收劑質量流量之量及其關聯的粒度分佈，且向該鹼注入系統發送一信號，以調整被注入之吸收劑的量或該等粒度之分佈。若該燃料之硫含量減少(或增加)，則此輸入將被饋送至該PLC控制器305，且組合知曉上述其他參數的當前狀態，將調整待注入之吸收劑的量及大小。
該等煙道氣感測器310可包含一流率感測器，以確定流經該預熱器250之煙道氣之速率；一顆粒濃度感測器，以測量煙道氣顆粒；溫度感測器；及選擇性的取樣感測器，以確定該等煙道氣顆粒之化學性質。PLC控制器305自此等感測器讀取資訊，以交互地計算待藉由鹼注入系統276注入之該等鹼性顆粒275之合適的質量流率。
將需要改變被注入之吸收劑的粒度分佈，以最佳化該吸收劑在該熱傳表面上沉積之位置。該目的在於預測該熱傳表面上凝結酸的質量分佈之位置，及定該等吸收劑顆粒之大小，因此該等吸收劑顆粒之動量將增進該熱傳表面上之吸收物質與凝結酸的分佈位置成直接關係之分佈。以此方式，該比率之具有合適大小的吸收物質可沉積於該熱傳表面上之最佳位置，以與該量之處於一給定位置處的凝結酸反應。
除了上述之控制邏輯外，跨該空氣預熱器250之一壓降亦可藉由感測器301、303連續測量，且與所計算之作為該煙道氣及空氣側流率及溫度函數之臨限值(如安裝於該PLC控制器305中之一演算法所界定)比較。
將需要存在於該熱傳表面的吹灰週期之間的預測壓降對時間關係亦將係該PLC控制器305之一輸入。若實際壓降以一較大速率增加，則其將指示因吸收劑注入之質量量不足而造成該熱傳表面上之飛灰沉積物及硫酸之累積；該吸收物質之不合適粒度分佈；或該鹼注入系統276之不當操作。
該PLC控制器305將增加該吸收劑注入速率，以嘗試使跨該空氣加熱器之壓降對時間關係回到合適的水準。此外，將藉由評估用於控制該系統之多個操作參數且向該粉碎系統發送合適的信號來改變由該PLC控制器305中的該演算法所確定的吸收物質的大小而改變該吸收物質的大小。應注意，若該吸收劑係經由一漿液或溶液注入，則該吸收劑大小設定過程將不適用。
相反地，若該壓降之增加速率低於基於該PLC控制器305計算的實際操作條件之預測水準，則將減小該吸收劑注入速率，以降低操作成本。
在該吹灰週期期間，應將自上次吹灰週期以來累積於該熱傳表面上之飛灰去除，且跨該空氣預熱器之所得壓降將減小。然而，若該沉積物因存在未經中和的硫酸而過於「濕潤」，則其將不會在該吹灰週期中被移除。因此，對於一給定的煙道氣流率及溫度，若該空氣預熱器壓降對時間關係大於將輸入至該PLC控制器305中之標準曲線，則其將指示，在該煙道氣中未獲得足夠的吸收劑，且/或該吸收物質的粒度分佈不適於當前操作條件。一信號將自該PLC控制器305發送至該鹼注入系統276，以增加該吸收劑注入速率及/或改變該吸收劑粒度分佈。
若根據PLC控制器305提供合適質量流率的鹼性顆粒275，且該壓降超過計算臨限值，則提供作為一吸收劑275之大顆粒與小顆粒之相對比率較大。更多的大顆粒將接觸該等熱傳表面且中和及消耗將顆粒保留於該等表面之該等酸。若所感測之壓降低於該臨限值，則提供之鹼性大顆粒與鹼性小顆粒的相對比率較小，以允許更多的小顆粒作為該等煙道氣中之成核位置。
PLC控制器305可視需要控制一粉碎機277，以指示該粉碎機將鹼性顆粒275研磨至一需要的大小或一粒度分佈。可整合於該PLC控制器305中以確定該吸收劑注入速率之其他操作參數係用於驅動該空氣預熱器250之轉子(圖1B之512)之電動馬達的電壓及電流。隨著該空氣預熱器的該熱傳表面上之顆粒沉積物質量之增加，該轉子的總重量將增加。對於具有一給定電壓之馬達，這會導致由該馬達所汲取的電流強度增加，而增加的原因在於由於軸承總成上的轉子的增加重量導致該轉子支撐軸承系統中產生額外的摩擦。因此，該轉子驅動馬達電壓，及電流強度將被連續測量且饋送至該PLC控制器305且包含於該總體計算中，以確定該吸收劑的質量注入速率及粒度分佈。該PLC控制邏輯將包含待維持之目標電流強度及可接受的電流強度波動範圍，該電流強度波動係歸因於可能在該熱傳表面的吹灰週期期間發生的飛灰正常累積於該熱傳表面上。該PLC控制器305將包含該等計算方法，以適應可能發生的電壓波動，且因此視需要根據實際電壓水準來調整待維持之目標電流強度水準。
如上所述，將鹼性顆粒引入該煙道氣流FG1中可大為增加該空氣預熱器自該煙道氣流FG1捕集更多熱且減少該熱傳表面之積垢之效能。這使得離開該空氣加熱器之煙道氣的出氣口溫度得以降低。實際設計及成本限制將決定該預受熱空氣離開該空氣預熱器之溫度。然而，可藉由增加流經該空氣預熱器的質量流量而達成最大的出氣口溫度降低，同時使離開該空氣預熱器的空氣維持於需要的溫度。有鑑於此，可做一些條件限制而將呈額外受熱空氣側質量流形式的多餘熱分佈至除了爐操作之外的其他操作。
在本發明的一進一步實施例中(見圖2B)，設置一空氣預熱器250，其經組態以將提取自該煙道氣FG1之熱經由空氣流A2分佈至該爐26且經由輔助空氣流A3及/或B2用於其他目的。此等輔助空氣流的可能用途可包含，例如粉煤乾燥及研磨操作及/或預加熱鍋爐給水，位置加熱或冷卻過程，藉由直接再循環離開該空氣加熱器的一部分受熱空氣至該空氣預熱器的該入口側，以使其在增加進入該空氣加熱器中之空氣流的溫度之前與周圍空氣混合而將進入該空氣預熱器中之空氣預加熱，經由使用一熱交換器間接加熱該周圍空氣，其中離開該空氣加熱器的一部分熱空氣被用於在進入該再生式空氣預熱器之前預加熱進入之環境空氣。亦存在額外用途，諸如廠外用途，對需要一受熱空氣源之工業製程進行區域加熱，及作為提供至CO2 捕集系統之熱能，包括但不限於冷卻胺或胺注入過程。
參考圖2B，該EPRS 215包括一再生式空氣預熱器250、一顆粒移除系統70及一滌氣器系統80。設置一FD扇60，以將一空氣流A1經由入口251引入該空氣預熱器250之該冷側。如上所述，該顆粒移除系統70可包含一ESP及/或織物過濾系統，或此類物。滌氣器系統80可包含一WFGD/DFGD系統。
在此實施例中，設置一額外的FD扇260，以將一輔助空氣流B1經由入口256引入該空氣預熱器250之該冷側。
圖3B係大體描述一空氣預熱器250之進一步細節之圖，該空氣預熱器250係經組態以向除了該爐燃燒室之外的某些預定操作提供另一受熱空氣流。
參考圖3，空氣預熱器250係經組態以包含一用於接收一空氣流A1之入口251及一用於接收一輔助空氣流B1之輔助空氣入口256。一出口252係用於將一受熱空氣流A2輸出至一爐(圖2B之26)。亦設置一輔助出口255，以將一第二受熱空氣流B2輸出至一個或多個預定操作或設備，諸如一粉碎機(圖2B之270)。由於具有兩個獨立的出口252及255，受熱空氣流A2及B2可獨立受控且自該煙道氣流FG1提取之熱多於該爐(圖2B之26)之適當操作所需之熱。可輕易設定受熱空氣流A3、B2的路徑，以用於與該蒸汽發電廠操作或其他發電廠相關操作關聯之其他用途中。此外，藉由提供兩個空氣入口A1及B1，可選擇性地或變化地控制輸入至該空氣預熱器之空氣。本文所揭示及主張之原則及概念適用於所有空氣預熱器裝置/系統，包括但不限於，雙扇形區、三扇形區及四扇形區空氣預熱器裝置及系統。
應強調的是，本發明之上述實施例，尤其是任何「較佳」實施例，僅為實施案之可行性實例，對其之陳述僅在於便於清晰理解本發明之原理。在實質上不脫離本發明的精神及原理之基礎上可對本發明之上述實施例做出許多變動及修改。所有此等修改及變動意在包含於本文中此揭示及本發明的範圍內且受下文申請專利範圍保護。
10．．．發電系統
15．．．排氣處理及熱回收系統
25．．．蒸汽產生系統
26．．．爐
50．．．再生式空氣預熱器
51．．．入口
52．．．受熱空氣出口
53．．．熱煙道氣入口
54．．．冷卻煙道氣出口
60．．．強制通風扇
70．．．顆粒移除系統
80．．．滌氣器系統
90．．．排氣煙囪
215．．．排氣處理及熱回收系統
250．．．空氣預熱器
251．．．入口
252．．．出口
253．．．煙道氣入口
254．．．煙道氣出口
255．．．輔助出口
256．．．入口
260．．．強制通風扇
270．．．粉碎機
275．．．鹼性顆粒
276．．．鹼注入系統
277．．．粉碎機
301．．．壓力降感測器
303．．．壓降感測器
305．．．PLC控制器
310．．．煙道氣感測器
512．．．轉子
516．．．隔膜或隔板
518．．．轉子支柱
520．．．隔室
522．．．熱交換元件籃架總成
524．．．殼體
536．．．扇形板
538．．．空氣扇形區
540．．．煙道氣扇形區
542．．．熱交換元件
544．．．冷端
546．．．熱端
圖1A係描繪一典型蒸汽產生系統及關聯之排氣處理設備之圖。
圖1B係描繪一習知旋轉再生式空氣預熱器之一部分剖開透視圖之圖。
圖1C係描述圖1B之該習知旋轉再生式空氣預熱器之另一透視圖之示意圖。
圖2A係大體描繪根據本發明之一排氣處理及熱回收系統之一實施例之圖。
圖2B係大體描繪根據本發明之一排氣處理及熱回收系統之另一實施例之圖。
圖3係描繪具有一輔助空氣入口之一空氣預熱器之一實施例之示意圖。
25．．．蒸汽產生系統
26．．．爐
60．．．強制通風扇
70．．．顆粒移除系統
80．．．滌氣器系統
90．．．排氣煙囪
215．．．排氣處理及熱回收系統
250．．．空氣預熱器
251．．．入口
252．．．出口
253．．．煙道氣入口
254．．．煙道氣出口
275．．．鹼性顆粒
276．．．鹼注入系統
277．．．粉碎機
301．．．壓力降感測器
303．．．壓降感測器
305．．．PLC控制器
310．．．煙道氣感測器

Claims (13)

  1. 一種使用一空氣預熱器自包含酸性物質及煙道氣顆粒之一煙道氣流FG1提取額外熱之方法，該空氣預熱器具有一煙道氣入口、煙道氣出口及複數個熱交換表面，該方法包括下列步驟：a.將一煙道氣流FG1接收至該空氣預熱器之該煙道氣入口中；b.計算在該等煙道氣FG1中穿過之酸性物質之質量流率；c.計算待注入至該煙道氣流FG1中以中和該酸性物質之鹼性顆粒之質量流率；d.將具有所計算之粒度分佈之鹼性顆粒以所計算之質量流率於該空氣預熱器上游之一位置注入該煙道氣流中，該位置允許該煙道氣在進入該空氣預熱器之前與該等鹼性顆粒適當混合；e.計算煙道氣顆粒之累積程度；f.基於所計算的煙道氣顆粒之累積程度，調整下列參數中之至少一者：i.該等鹼性顆粒被注入該煙道氣中之質量流率；ii.被注入該等煙道氣中之該等鹼性顆粒之粒度分佈，以致：當該壓降係高於一預定臨限值時，注入具有較大相對百分比的大顆粒，以促使更多鹼性顆粒接觸並黏附於該等熱交換元件且中和凝結在 此等元件上的酸性物質，及當該壓降低於一預定臨限值時，注入具有較小相對百分比之大顆粒；其中該等被注入之鹼性顆粒用於減少煙道氣顆粒在該等熱交換元件上之累積，減少該空氣預熱器之該等熱傳表面及內部組件之積垢及腐蝕並增加該空氣預熱器之熱效率。
  2. 如請求項1之方法，其中小鹼性顆粒之直徑為1微米至150微米。
  3. 如請求項1之方法，其中大鹼性顆粒之直徑為150微米至250微米。
  4. 如請求項1之方法，其中調整該等鹼性顆粒之粒度分佈之該步驟包括下列步驟：藉由控制一粉碎機之操作來調整該等鹼性顆粒之粒度分佈，以產生所需質量量之鹼性物質，且將該鹼性物質的大小設定成所需之分佈。
  5. 如請求項1之方法，其中計算該等煙道氣顆粒之累積程度之該步驟包括下列步驟：a.測量跨該空氣預熱器自該煙道氣入口至該煙道氣出口之壓降；b.將所測量的壓降與至少一個預定臨限值比較，以獲得煙道氣顆粒之累積程度。
  6. 如請求項1之方法，其中該空氣預熱器係具有一轉子之一旋轉空氣預熱器，該轉子係藉由一由具有變化電壓V 之電流I供電之馬達而旋轉，且計算煙道氣顆粒之累積程度之該步驟包括下列步驟：a.測量該電壓V及電流I；b.將於該測量電壓下之所測量電流與一於相同電壓下的預定電流比較，以確定一電流差；c.將該電流差與預儲存的轉換資訊比較，以確定煙道氣顆粒之累積程度。
  7. 一種用於更有效地自產生具有酸性蒸氣及挾帶煙道氣顆粒之受熱煙道氣FG1之一爐回收熱之排氣處理及熱回收(EPHR)系統，該系統包括：a.一耦合至該爐之空氣預熱器，該空氣預熱器包括：一煙道氣入口，其適於接收該等煙道氣FG1，複數個熱交換板，其等用於自該等煙道氣提取熱；及一煙道氣出口，其用於在該等煙道氣FG2已越過該等熱交換板之後排出該等煙道氣FG2；b.煙道氣感測器，其等用於監測該等煙道氣內之物理及化學條件；c.壓降感測器，其等適於測量自該空氣預熱器入口至該空氣預熱器出口之壓力降；d.一鹼注入系統，其回應於來自另一裝置之若干控制信號，以在致動時將鹼性顆粒引入一空氣預熱器上游之該等煙道氣FG1中；及e.一PLC控制器，其適於：基於該等所感測的煙道氣條件來計算鹼性顆粒之質 量流率；及基於自該煙道氣入口至該煙道氣出口所測量之壓降，控制該鹼注入系統來調整鹼性顆粒之小顆粒對大顆粒之相對比率；並注入具有經調整的小顆粒對大顆粒相對比率之所計算質量流率之鹼性顆粒來中和該等煙道氣中之該等酸性物質。
  8. 如請求項7之EPHR系統，其中該等煙道氣感測器包括下列感測器中之至少一者：a.一流率感測器，其適於測量該等煙道氣之該質量流率；b.一顆粒感測器，其適於測量該等煙道氣中之煙道氣顆粒濃度；及c.一取樣感測器，其適於測量該等煙道氣中之煙道氣顆粒之至少一個化學參數。
  9. 如請求項7之EPHR系統，其中該PLC控制器係進一步適於基於下列參數來計算鹼性顆粒之質量流率：該等煙道氣之質量流率，該煙道氣之濕氣含量，該酸性物質濃度，該煙道氣顆粒之濃度及所感測之該等煙道氣顆粒之化學組成。
  10. 如請求項7之EPHR系統，其中該鹼注入系統係經組態以引入具有一大小範圍之鹼性顆粒。
  11. 如請求項7之EPHR系統，其中該空氣預熱器包括一用於輸出一第二受熱空氣流之輔助出口。
  12. 如請求項7之EPHR系統，其中該空氣預熱器進一步包括：一用於接收輔助空氣輸入之第二入口。
  13. 低成本的爐系統，其具有：a.一產生受熱煙道氣之化石燃料爐；b.一耦合至該爐之空氣預熱器，其適於：接收該等受熱煙道氣，中和該等受熱煙道氣中之酸，為該爐提取受熱之燃燒空氣，提取待用於該系統中之他處之額外受熱空氣，將煙道氣溫度降低至低於一煙道氣酸露點，減少離開該預熱器之煙道氣體積；及c.煙道氣處理設備，其係耦合至該空氣預熱器且位於該空氣預熱器之下游，其較用於不含有中和煙道氣酸之空氣預熱器之系統上的煙道氣處理設備更精簡且成本較低。
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