專利名稱：旋轉爐底部灰分再生體系的制作方法
技術領域：
本發明涉及爐灰分中吸著劑的再活化，更具體地講，用于冷卻、水合和再活化爐底部灰分中未利用的硫治理吸著劑。
背景技術：
在燃燒諸如煤炭的含有硫化合物的燃料期間，產生S02、SO3 (統稱為“S0X”)氣體。 除了是溫室氣體之外，這些氣體在釋放時與水化合產生硫酸(H2SO4)，硫酸對許多生態體系具有危險性。通常使用粉碎的石灰石來中和并消除SOx氣體。在循環流化床(CFB)爐(其可為鍋爐體系的一部分)中，將粉碎的石灰石加到粉碎的燃料中以在燃燒期間中和SOx氣體。燃燒產生石灰石產物，該產物由大量的氧化鈣(CaO，未反應的石灰)和硫酸鈣(CaSO4)和少量的碳酸鈣(CaCO3)組成。大量的石灰石不與SOx氣體反應，因此通常使用約兩倍化學計量量的石灰石來實現令人滿意的SOx氣體捕獲。過量未反應的石灰石與從固體燃料燃燒中產生的灰分一起除去。有兩種來自CFB的凈排放灰分流，即底部灰分和飛灰。灰分通常含有由未利用的CaO 組成的石灰石產物。通常將底部灰分、石灰石副產物和未反應的石灰冷卻并作為廢料丟棄。—種這類用于冷卻底部灰分的裝置為旋轉灰分冷卻器(RAC)。RAC為一端具有入口且相對端具有出口的旋轉圓柱形管路。其具有穿過管路壁的冷卻管道。在入口處接收熱的底部灰分，隨著管路旋轉通過內螺旋翅片將熱底部灰分移動到出口。等到底部灰分在出口處時，其已被冷卻到適當溫度。隨后將底部灰分與其它廢物一起處置。常規RAC裝置幾乎沒有或沒有傳感或調節裝置。它們經設計而設置，且在發生不可接受的升溫時沒有灰分的精密溫度控制措施。升溫可出于許多原因而發生，例如爐操作方面的異常改變、異常工藝條件、變化的燃料供給或其它控制器故障。過熱的底部灰分溫度可能破壞灰分處理體系且可能損害該體系。過熱的溫度還可引起難以用環境可接受的方式運輸和處置灰分。并且，大量未使用的石灰石被廢棄，增加了操作成本且產生了需要處置的其它廢料。因此，需要更準確地監測底部灰分和通過重新使用底部灰分中未反應的CaO來增加石灰石利用率的方法和裝置
發明內容
本發明可涵蓋用于處理循環流化床爐或功能類似的裝置/設備中的底部灰分17 的旋轉爐底部灰分再生(RBAR)體系100。其包括旋轉圓柱體110，其經調適以在其入口端接收所述灰分；至少一個傳感器 140，其布置在圓柱體110內，其經調適以測量諸如溫度和濕度的物理參數且產生至少一種代表所測量物理參數的輸出信號；至少一個噴霧嘴131，其經調適以接收諸如水的再生流體或堿性(堿)水溶液并將其噴射到圓柱體110的不同區域。再生流體調節器135將再生流體提供給噴霧嘴131以在起動時將預定量的再生流體噴射到圓柱體110的所選區域中。所連接的控制單元170從傳感器讀取信息并接收關于反應物顆粒10內的未反應核13的質量的輸入。控制單元170計算將在各位置處噴射的再生流體的適當量以使反應物顆粒10吸附足以處于“需要含量”范圍內的再生流體。隨后開動流體調節器135以從噴嘴131中的每一個中噴射所計算的量。需要含量范圍為使全部未反應核13完全反應所需再生流體的約5-25%。本發明還可涵蓋處理來自循環流化床爐的底部灰分17的方法。將底部灰分17置于旋轉圓柱體110中。感測沿圓柱體110內部的溫度。將不同量的再生流體噴射到處于圓柱體110內的不同位置的灰分17上以產生所要溫度梯度，隨后將計算量的水噴射到灰分內的未反應石灰石產物顆粒10上，以使顆粒10 再活化，但在灰分17中未產生過量水以便保持灰分處于濕含量的“干燥”范圍，其通常為 0-5%重量。本發明還可涵蓋處理來自循環流化床爐的灰分17的方法，做法是將所述底部灰分17置于旋轉圓柱體110中；將水噴射到圓柱體110的第一區域中以冷卻灰分17 ；將水噴射到圓柱體110的第二區域中以使所述灰分17中存在的CaO顆粒10水合并再活化。舉例來說，來自典型石油焦炭燃燒CFB的底部灰分中的CaO將從23%重量減少到至少13%重量。這相當于石灰石消耗降低至少25%。
被視為本發明的主題在本申請文件結尾處的權利要求書中特別指出并明確要求保護。結合附圖自以下詳述顯而易見本發明的上述和其它特征和優勢，其中圖1為CFB爐的底部灰分中典型的部分反應的反應物顆粒10的橫截面圖；圖2表示正在水合的圖1的反應物顆粒10 ；圖3表示已經水合后的圖2的反應物顆粒10 ；圖4表示再次用于中和SO2氣體的圖3的反應物顆粒10 ；且圖5為根據本發明的旋轉爐底部灰分再生(RBAR)體系的示意圖。
具體實施例方式理論圖1為已與SO2和/或SO3化合物(統稱為“S0X”)部分反應的典型石灰石(CaCO3) 顆粒的橫截面圖。這些被稱為反應物顆粒10。這些通常落入CFB爐的底部灰分中。在燃燒期間，反應物顆粒10的外部暴露表面上的CaO與煙道氣中的SOx反應以形成覆蓋反應物顆粒 10 的 CaSO4 殼 11。Ca0+S02+l/202 = CaSO4+ 熱(方程式 1)由于SOx氣體不能穿過反應物顆粒10到達其核13，核13由未反應的CaO構成。 CaSO4殼11圍住核13。此時，反應物顆粒10變得沒有反應性。核13仍為可用材料，只是SOx氣體不能抵達。該未使用的核13(通常可為反應物顆粒10的50%重量)通常作為廢物丟棄。因此，如果最大限度地利用這些顆粒，則可顯著降低石灰石成本。CaO的反應性相當強。其與水發生放熱反應。眾所周知CaCHH2O — Ca (OH) 2+ 熱(方程式 2)方程式2的該放熱反應足以使另外存在的水立刻變成蒸汽。這使得核13內的壓力大大增加。如果有足夠的CaO反應，則壓力可增加到足以使外殼11破裂。迅速膨脹的蒸汽是引起爆米花爆裂的機理。已經確定，如果滿足適當條件，顆粒10將像爆米花一樣爆裂以暴露核13。離開顆粒的蒸汽還可以將顆粒弱化到RBAR和CFB中的處理和磨損(即顆粒的機械破碎)可進一步暴露未利用的CaO的程度。圖2顯示正水合的圖1的反應物顆粒10。表示諸如水、堿性物質的水溶液和另外蒸汽的再生流體浸過殼11并進入核13中。在圖2中，CaO與水根據方程式2反應，產生大量熱。如果存在適當量的水，則將過量水加熱成蒸汽并使反應物顆粒10處于適當溫度。在圖3中，蒸汽產生足以使外殼11破裂的壓力，留下延伸到核13中的裂縫15。逸散的蒸汽由該圖中的箭頭指示。此時顆粒10被再生并能夠再次使用。在圖4中，將圖3的再生顆粒10引入具有的煙道氣中。穿過裂縫15并與 CaO反應。這根據以下方程式3捕獲在CFB中燃燒期間釋放的S02。Ca0+S02+1/2 = CaSO4+ 熱(方程式 3)。如果使用適當量的再生流體且在適當溫度下施用于顆粒10，則會發生殼11開口。如果提供太多再生流體，固體最終會變濕變粘，引起不可接受的處理問題。另外， 這可導致溫度迅速降到足以妨礙產生足夠內部蒸汽以引起爆裂的程度。太少再生流體限制了可浸過殼11到達核13的再生流體的量。如果該量不夠大， 則反應可能太小而不足以產生打開殼11的內部蒸汽壓。如果溫度下降太快，則顆粒10和內部蒸汽會冷卻太多且會降低殼11內的蒸汽壓， 阻止殼11開口。如果顆粒10太熱，則將蒸發太多再生流體，使得將浸過核13的再生流體的量減少，因此因缺乏再生流體而使爆裂降低。因此，需要精確控制器和溫度、濕度和流體流量傳感器和控制器來實現顆粒10的適當處理，從而允許到達未使用的內核13。旋轉爐底部灰分再生(RBAR)體系充當底部灰分冷卻體系，類似于RAC。然而，本發明包括傳感器、控制器和致動器(actuator)從而以更準確的方式作用。其考慮了由于爐操作方面的異常改變、異常工藝條件、變化的燃料供給或其它控制器故障引起的溫度波動。本發明還用以使顆粒10再循環以改善CFB中石灰石的利用率。
這通過使用噴霧嘴來可調節地冷卻在旋轉灰分冷卻器121的第一部分中的底部灰分(如果需要的話)，隨后使用噴霧嘴來使已經冷卻到適當溫度后的底部灰分中的堿性顆粒10水合來進行。用這種方法，可以調節RBAR體系的冷卻能力，同時能夠使底部灰分水合/再活化和再循環。引起反應物顆粒10的殼11開口所需再生流體的量(“需要含量”)在使顆粒10 的核13中的所有CaO完全反應所需再生流體的化學計量量的5-20%范圍內。由于工廠控制體系監測離開爐的SOx氣體，因此對中和SOx氣體所需堿性反應物的質量有準確指示。然而，不是所有的反應物都反應。實際上，約50%的反應物沒有反應。因此，提供到煙道氣的反應物的質量是所需量的兩倍。另外50%保留在灰分中的顆粒10的核13中。因此，RBAR 體系從工廠控制體系接收信息，該信息指示提供以中和SOx氣體的石灰石的量。由于蒸發，所以噴射到灰分中的再生流體的量不是由灰分接收的再生流體的量。 水根據給定位置處所經歷的溫度和濕度和噴霧嘴131的參數以多種速率蒸發。因為沿旋轉灰分冷卻器的長度存在降溫梯度，所以在沿RBAR的不同位置存在不同蒸發速率。溫度梯度和蒸發速率可以用實驗方法針對沿旋轉灰分冷卻器的多個位置計算。當計算從沿旋轉灰分冷卻器的長度的各位置噴射的水量時，考慮該蒸發損失。目標是噴射足夠水以使顆粒10接收5-20%的化學計量量的水。接收比該范圍少或多的水在打開殼11和使反應物顆粒10再生方面效率低下。圖5為根據本發明的RBAR體系100的示意圖。將來自循環流化床(CFB)爐的熱底部灰分17提供到在RBAR 100的圓柱體110的輸入端151處的入口 121中。圓柱體110 還具有在輸出端153處與入口 121相對開口的出口 123。圓柱體110安裝在軸117上且圍繞軸117旋轉。其由發動機119驅動。或者，圓柱體可擱置在輥125上替代連接到軸117。圓柱體110具有具備多個類似于螺紋的螺旋細長翅片114的內壁113。隨著圓柱體110旋轉，螺旋翅片114使灰分17向出口 123移動并使其離開出口 123。還有多個與內壁接觸的冷卻管111。這些冷卻管冷卻內壁113和圓柱體110的內含物。圓柱體110還可具有圍住冷卻管111且如果使用輥125的話用于制成光滑表面的外壁 115。冷卻管111流體連接到圓柱體的軸117附近的冷卻劑入口 127，且流體連接到也在軸117附近但在圓柱體110的另一端的冷卻劑出口 129。這允許冷卻劑引入冷卻劑入口 127并經多個冷卻管111分配來冷卻內壁113，且離開冷卻劑出口 129。在內壁113上或其附近存在多個傳感器140。這些傳感器可為溫度傳感器、濕度傳感器、灰分濕度傳感器或重量傳感器或可測量物理條件的其它傳感器。傳感器140還可測量已在RBAR中積聚的底部灰分17的量。可將來自傳感器140的讀數提供到控制單元170 中。控制單元170讀取這些讀數并根據讀數確定動作。多個噴槍130延伸到圓柱體110中。各噴槍具有噴霧嘴131，噴霧嘴131在提供有水時在圓柱體110內的特定區域中噴射水。噴槍130經噴霧致動器135連接到再生流體源133。噴霧致動器135連接到控制單元170。在該實施方案中，噴槍130中的每一個具有不同長度。各噴槍在沿其長度的不同位置處具有噴霧嘴131。控制單元170可選擇性地噴射不同量的水到圓柱體110內的不同區域中。
在該實施方案中，至少數個噴槍130在圓柱體入口 121附近具有噴霧嘴131。因此，至少數個噴槍將噴射水到在圓柱體110內的相同區域中。當底部灰分在圓柱體入口 121 處進入時其是最熱的，當其向圓柱體出口 123行進經過圓柱體110的長度時其被冷卻。通常在圓柱體入口 121處還有較大量的灰分17，其在圓柱體出口 1 處逐漸減少到較小量。 因此，在圓柱體入口 121附近可能需要較大量的噴霧。冷卻需要的水量大于使石灰石產物再活化需要的水量。或者，將多個噴嘴131置于圓柱體110內的多個位置處，且各噴嘴可通過控制單元 170分別控制。控制單元170接收關于提供給體系的SOx反應物的量的信息。控制單元170接收關于在旋轉灰分冷卻器的灰分中的未反應核13的量的信息。控制單元170隨后考慮溫度梯度和在各噴嘴處的蒸發速率而計算將從各噴嘴噴射的水量，這將產生顆粒10的再生流體的需要含量范圍。需要含量范圍為使噴嘴位置處的所有未使用的SOx反應物反應的化學計量量的5-20%。在一個供選的實施方案，控制單元170可確定沿旋轉灰分冷卻器的質量分布并根據底部灰分17的質量分布調整噴射量。控制單元170還監測傳感器140且控制再生流體調節器135以調節通過圓柱體 110的各部分的噴霧，從而調節跨圓柱體110的溫度梯度。該調節將限于使顆粒10再生所需的濃度范圍。通常輸入端151大于700° F(370°C )。在一個實施方案中，所要溫度梯度為從入口 121處的通常1600° F(871°C )至圓柱體出口 123處的120-300° F(60_150°C ) 的轉變。在RBAR內的某些點處，達到小于700° F(370°C)的溫度，水合將開始且劇烈地進行。所提供的再生流體的量通常在用于使底部灰分中存在的所有CaO水合的化學計量量的 1-25%范圍內。舉例來說，完全水合CaO所需水的化學計量量為40. 9Kg H20/100Kg CaO0 因此，在RBAR的水合段中通常加入的水量(考慮在噴射位置處蒸發的量)在2. 0-10. 2Kg H20/100Kg CaO范圍內。控制單元還將通過測量灰分速率和溫度來確定且當溫度低于約 700° F(370°C)時提供5-25%的化學計量需要量的水合水。在一個供選的實施方案中，如果需要的話，控制體系170將在限度內定制或調節冷卻噴射水量以在圓柱體110內提供所要溫度曲線。水合之后，灰分17中的顆粒10從圓柱體出口 123離開且可將其收集并再使用以降低操作CFB爐所需的石灰石總量。選擇RAC用于本發明100的另一原因在于圓柱體110通過物理接觸和翻轉粉碎灰分17中水合、軟化的顆粒10。圓柱體110旋轉且借助于螺旋翅片114將灰分17隨內壁113 提升。當灰分在內壁113上提升太高時，其向下翻轉回到圓柱體110的底部。該類似于干衣機的物理翻轉引起顆粒10相對于灰分17、內壁和其他顆粒10的摩擦、刮磨和撞擊的物理接觸。物理接觸將在已預先水合并軟化的顆粒10的殼13中產生破壞、裂痕和裂縫。物理接觸還破碎較軟的水合顆粒和/或磨損外殼13，潛在地暴露出核11。雖然已經參考示例性實施方案描述了本發明，但本領域技術人員應理解，可在不偏離本發明范圍的情況下進行多種改變且可用等價物替代其要素。另外，本領域技術人員應理解，可在不脫離本發明的基本范圍的情況下進行許多修改以使特定設備、情形或材料適應本發明的教導。因此，并非想要將本發明限制于作為針對實施本發明所考慮的最佳模式而公開的特定實施方案，而是本發明將包括落入隨附權利要求書范圍內的所有實施方案。
權利要求
1.一種處理具有反應物顆粒的來自循環流化床爐的底部灰分的方法，各反應物顆粒具有部分反應的外殼和未反應的內核，其包括以下步驟a.將所述底部灰分提供到具有多個用于沿圓柱體的長度噴射再生流體的噴嘴的旋轉圓柱體；b.感測所述圓柱體內部的物理條件；c.接收所述旋轉圓柱體內未反應核的質量的指示；d.從所感測的物理條件和未反應核的質量計算將噴射的再生流體的量以使所述反應物顆粒具有在“需要含量”范圍內的再生流體濃度；e.從所述圓柱體內的多個噴嘴噴射所述計算量的再生流體到所述底部灰分上，以使所述反應物顆粒的殼開口，暴露出所述未反應的內核，因此使其再活化。
2.權利要求1的方法，其中所述感測溫度的步驟包括以下步驟在沿所述圓柱體內部的各噴嘴處感測物理條件；且所述計算步驟包括以下步驟從所感測的物理條件和未反應核的質量計算將從各噴嘴噴射的再生流體的量以使所述反應物顆粒具有在需要含量范圍內的再生流體濃度；且所述噴射步驟包括以下步驟從所述圓柱體內的多個噴嘴中的每一個中噴射針對相應噴嘴計算的一定量的再生流體到所述底部灰分上以使所述反應物顆粒具有在所述需要含量范圍內的再生流體濃度，引起所述反應物顆粒的殼開口，暴露出所述未反應的內核，使其再活化。
3.權利要求1的方法，其中所述需要含量范圍為使所有所述未反應核完全反應所需再生流體的化學計量量的5-25%。
4.權利要求1的方法，其中所述再生流體為水。
5.權利要求1的方法，其中所述再生流體為蒸汽和堿的水溶液。
6.權利要求1的方法，其中所述再生流體為濃度小于1.ON的NaOH水溶液。
7.權利要求5的方法，其中所述再生流體還包含蒸汽。
8.權利要求1的方法，其中所述噴射計算量的再生流體的步驟在所述圓柱體內與小于 700° F(3610C)的溫度有關的位置處開始，所述溫度為可進行有效水合的溫度。
9.權利要求1的方法，其中所述圓柱體具有具備螺旋翅片的內壁，所述翅片突出到所述圓柱體內以便于物理破碎和粉碎反應物顆粒并使底部灰分移動遠離入口和從出口移出。
10.一種處理來自循環流化床爐的具有反應物顆粒的底部灰分的方法，其包括以下步驟將所述底部灰分提供到旋轉圓柱體中；將再生流體噴射到所述圓柱體的第一區域中以冷卻所述灰分；將一定量的再生流體噴射到在所述圓柱體的第二區域中的所述底部灰分上以將需要含量的再生流體提供給所述反應物顆粒，所述需要含量在使SOx反應物顆粒內的所有未反應物質完全反應所需再生流體的化學計量量的5-25%范圍內。
11.一種用于處理循環流化床爐的具有部分反應的反應物顆粒的底部灰分的旋轉爐底部灰分再生(RBAR)體系，其包括圓柱體，其經調適以在入口端接收所述底部灰分并旋轉；至少一個布置在所述圓柱體內的傳感器，其經調適以測量物理條件且產生至少一種代表所測量物理條件的輸出信號；至少一個噴霧嘴，其經調適以接收再生流體且將所述再生流體噴射到在所述圓柱體中的所述底部灰分上；連接到所述至少一個噴霧嘴的流體致動器，其經調適以在起動時在所述圓柱體中噴射規定量的再生流體；連接到所述傳感器和所述流體致動器的控制單元，其經調適以接收傳感器輸出信號，計算將提供到所述圓柱體的再生流體的量，和起動所述流體致動器以提供計算量的再生流體到在所述圓柱體中的底部灰分上，因此使所述反應物顆粒再生。
12.權利要求11的旋轉爐底部灰分再生體系，其還包括配置在所述圓柱體的內表面上的多個螺旋翅片，使得所述底部灰分隨著所述圓柱體旋轉而向出口行進。
13.權利要求11的旋轉爐底部灰分再生體系，其中所述噴嘴連接到多個噴槍且控制單元經調適以操作流體調節器以向不同噴槍提供變化量的再生流體。
14.權利要求13的旋轉爐底部灰分再生體系，其中所述噴槍具有通向所述圓柱體內的不同位置的多個內部通路，且所述控制單元經調適以操作流體致動器以向在所述噴槍內的不同通路中的每一個提供變化量的再生流體以在圓柱體內部的不同區域上噴射再生流體。
15.權利要求14的旋轉爐底部灰分再生體系，其中所述控制單元交互地控制所述流體致動器以提供使所述底部灰分中的反應物顆粒水合所需再生流體的化學計量量的5-25%。
全文摘要
旋轉爐底部灰分再生(RBAR)體系(100)包括從爐中接收含有反應物顆粒(10)的灰分(17)的圓柱體(110)，所述反應物顆粒(10)為具有未反應核(13)的部分反應的石灰石化合物。傳感器(140)感測圓柱體(110)內的物理參數。控制器(170)接收傳感器(140)的輸出和指示未反應核(13)的量的信息并使流體致動器(135)從多個噴霧嘴(131)噴射適當量的再生流體調節器(135)到在圓柱體(110)內的不同位置以調節溫度并使反應物顆粒(10)具有需要含量的再生流體。這使得反應物顆粒(10)被再生和再使用，并使石灰石費用降低和灰分處理體系的過熱程度降低。
文檔編號B01D53/96GK102188908SQ201110038838
公開日2011年9月21日 申請日期2011年2月10日 優先權日2010年2月11日
發明者I·F·阿布杜拉利 申請人:阿爾斯托姆科技有限公司