本发明提供了一种用于降低来自燃烧器的灰的碳含量的方法,包括在燃烧器中在燃料改进剂存在的情况下加热碳基燃料。燃料改进剂包括选自包括铁氧化物、氧化钙、二氧化硅、氧化镁和氧化铝的组中的至少一种金属氧化物。减小燃料改进剂的平均粒径以产生在1到100微米的范围内的粒径。
1.一种用于降低来自燃烧器的灰的碳含量的方法,包括:在燃烧器中在燃料改进剂存在的情况下加热碳基燃料,所述燃料改进剂主要包括铁氧化物和二氧化硅,其中,所述燃料改进剂的平均粒径在1到100微米的范围内,并且其中所述燃料改进剂包括氧化钙,并且其中所述燃料改进剂以按重量计在2.5%到33%的范围内的量代替一定比例的所述燃料。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述燃料改进剂的粒径在1到80微米的范围内。
3.根据任一前述权利要求所述的方法,其中,所述燃料改进剂的粒径通过磨碎而减小。
4.根据任一前述权利要求所述的方法,所述燃料改进剂进一步包括选自包括氧化镁和氧化铝的组中的至少一种金属氧化物。
5.根据任一前述权利要求所述的方法,其中,所述碳基燃料为化石燃料。
6.根据权利要求5所述的方法,其中,所述化石燃料为煤。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,所述煤在引入到所述燃烧器中之前被磨碎。
8.一种生产火山灰的方法,包括:在燃烧器中在燃料改进剂存在的情况下加热碳基燃料,所述燃料改进剂主要包括铁氧化物和二氧化硅,其中所述燃料改进剂的平均粒径在1到100微米的范围内并且其中所述燃料改进剂以按重量计在2.5%到33%的范围内的量代替一定比例的所述燃料;以及从所述燃烧器回收所述灰,并且其中所述燃料改进剂包括氧化钙。
9.一种生产水泥质组合物的方法,包括在燃烧器中在燃料改进剂存在的情况下加热碳基燃料,所述燃料改进剂主要包括铁氧化物和二氧化硅,其中所述燃料改进剂的平均粒径在1到100微米的范围内并且其中所述燃料改进剂以按重量计在2.5%到33%的范围内的量代替一定比例的所述燃料并且其中所述燃料改进剂包括氧化钙;从所述燃烧器回收灰以及将所述灰与氢氧化钙混合。
10.一种提高燃烧过程的燃料效率的方法,包括用燃料改进剂代替一定比例的待燃烧的碳基燃料的步骤,所述燃料改进剂主要包括铁氧化物和二氧化硅,其中,所述燃料改进剂的平均粒径在1到100微米的范围内并且其中所述燃料改进剂以按重量计在
2.5%到33%的范围内的量代替一定比例的所述燃料并且其中所述燃料改进剂包括氧化钙。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法,所述燃料改进剂进一步包括选自包括氧化镁和氧化铝的组中的至少一种金属氧化物。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法,其中,所述燃料改进剂的平均粒径在1到80微米的范围内。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法,其中,所述燃料改进剂的粒径通过磨碎而减小。
14.根据权利要求8至13中任一项所述的方法,其中,所述碳基燃料为化石燃料。技术领域
本发明涉及一种用于改进化石燃料燃烧的方法,并且更具体地涉及一种产生具有低碳含量的灰副产物的用于煤燃烧的改进方法,以及涉及用于该方法的燃料改进剂组合物。
背景技术
灰是在煤燃烧中产生的副产物。飞灰通常由发电站的烟囱捕获,底灰从炉子的底部去除。在英国,每年产生稍微超过1,000,000吨的飞灰。在世界范围内,大部分从烧煤的发电站产生的灰在填埋场进行处理或储存在熔渣场。一些国家对这样的废物在填埋场的处理征税。近年来,由于增加的填埋成本以及环境成本,灰的回收已经成为日益增加的问题。这种灰的显著部分在性质上是凝硬性的(火山灰的),这意味着当与氢氧化钙组合时,它呈现出水泥质性质。原则上,飞灰可以用作混凝土混合物的一部分波特兰水泥含量的代替物。波特兰水泥本身的生产是能源密集的并产生大量的二氧化碳,每吨波特兰水泥大约产生一吨二氧化碳,因此这个的一部分被另外不用的副产物代替可以显著降低碳排放。然而,包含高百分比的未燃烧的碳的灰不可用作波特兰水泥替代品,则是因为所述灰具有在混合工艺过程中从混凝土吸附重要的水泥质化学混合物的倾向。这使得混合物无法使用以影响它们预期的目的。具有7%或更小的碳含量的灰对于用作火山灰是理想的。可以加工飞灰以使碳含量减少到足以用作火山灰的水平。这样的方法的实例包括重新燃烧飞灰以降低碳含量;产生低碳部分的静电分离方法以及化学处理飞灰,以通过降低碳的吸附性能而使碳含量的影响最小化。所有这些方法需要至少一个另外的加工步骤,增加了产生有用的副产物而不是废产物的总成本。在欧洲,对于发电站存在法律上的要求以降低含氮和含硫氧化物的排放,称为NOx和SOx排放物。这已经导致烧煤发电站装配有低NOx燃烧器。当减少NOx和SOx排放物时,这些燃烧器也导致燃烧效率的轻微损失,其可以进而导致灰中高水平的碳,通常在20%碳的区域中,使得灰成为不希望的废产物。中国专利号CN1077482、CN1396239、和CN1396239描述了燃料燃烧添加剂。这样的添加剂由以一定重量比混合的一个范围的金属和金属氧化物组成。将所有这些添加剂加入到超过其标准量的燃料中,以致所使用的燃料的量没有减少。还存在几百万吨从来自矿石的金属的提取物产生的熔渣。期望提供一种用于煤的燃烧的改进方法,提供具有低碳含量的灰,其使得灰成为理想的和可出售的副产物,而不是需要以满足环境规章的方式处理的废产物。此外,期望提供一种改进的方法,其中减少燃烧的煤的量,同时不降低能量输出并优选增加能量输出和减少碳排放物。还期望提供一种用于熔渣副产物的应用。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种用于降低来自燃烧器的灰的碳含量的方法,包括在燃烧器中在存在燃料改进剂的情况下加热碳基燃料,燃料改进剂主要包括铁氧化物和二氧化硅,其中燃料改进剂的平均粒径在1到100微米的范围内并且其中燃料改进剂包括氧化钙。本发明的另一个方面提供了一种生产火山灰的方法,包括:在燃烧器中在燃料改进剂存在的情况下加热碳基燃料,燃料改进剂主要包括铁氧化物和二氧化硅,其中燃料改进剂的平均粒径在1到100微米的范围内并且其中燃料改进剂以按重量计在2.5%到33%的范围内的量代替一定比例的燃料;以及从燃烧器回收灰,并且其中燃料改进剂包括氧化钙。本发明的另一个方面提供了一种生产水泥质组合物(胶凝组合物,cementitiousxa0composition)的方法,包括:在燃烧器中在燃料改进剂存在的情况下加热碳基燃料,燃料改进剂主要包括铁氧化物和二氧化硅,其中燃料改进剂的平均粒径在1到100微米的范围内并且其中燃料改进剂包括氧化钙;从燃烧器回收灰以及将灰与氢氧化钙混合。优选地,燃料改进剂的平均粒径在1到80微米的范围内。更优选地,平均粒径在到33微米的范围内。还更优选地,平均粒径在5到25微米的范围内。仍然更优选地,平均粒径在8到20微米的范围内。典型地,减小燃料改进剂材料以产生在上面提及的范围内的平均粒径。优选地,燃料改进剂的平均粒径通过磨碎(粉碎,pulverisation)而减小。优选地,燃料改进剂进一步包括选自包括二氧化硅、氧化镁和氧化铝的组中的至少一种金属氧化物优选地,燃料改进剂以按重量计在5%到33%的范围内的量代替一定比例的碳基燃料。仍然更优选地,燃料改进剂以按重量计在5%到15%的范围内的量代替一定比例的碳基燃料。碳基燃料可以为化石燃料。优选地,化石燃料为煤。更优选地,在引入到燃烧器中之前磨碎煤。本发明的另一个方面提供了一种提高燃烧过程的燃料效率的方法,包括用燃料改进剂代替一定比例的待燃烧的碳基燃料的步骤,燃料改进剂主要包括铁氧化物和二氧化硅,其中所述燃料改进剂以按重量计在2.5%到33%的范围内的量代替一定比例的燃料并且其中燃料改进剂包括氧化钙。优选地,燃料改进剂的平均粒径在1到100微米的范围内。更优选地,燃料改进剂的平均粒径在1到80微米的范围内。还更优选地,平均粒径在3到33微米的范围内。仍然更优选地,平均粒径在5到25微米的范围内。仍然更优选地,平均粒径在8到20微米的范围内。该方法可以包括减小燃料改进剂材料的粒径以产生在上面提及的范围内的粒径的步骤。优选地,燃料改进剂的平均粒径通过磨碎而减小。有利地,燃料改进剂组合物包含属于周期表的3和4周期(II-V族)的化学元素。有利地,燃料改进剂组合物包含属于周期表的3和4周期(II-V族)的化学元素的氧化物或其他化合物。本发明提供了一种在引入到燃烧室之前与碳基燃料混合或与燃料一起注入到燃烧室中的燃料改进剂。该燃料改进剂在加热时释放游离氧基。这种燃料改进剂的存在改进了煤的碳馏分的氧化,导致提高的效率和得到的灰的碳含量的降低,产生有用的材料代替废产物。燃料添加剂的使用也导致NOx和SOx气体的排放物的减少,这是因为对于相同的碳输入,燃烧器的空气需求减少,完成燃料的燃烧的额外的氧来源于燃料改进剂而不是来源于另外的空气。由于改进了燃料的碳馏分的氧化,这也导致用于相同的能源输出的固体燃料的消耗减少。
附图说明
在附图中,该附图示出了本发明的优选的实施方式:图1为示出了在利用辊压机磨碎后燃料改进剂的粒径的分布的图;图2为示出了粒径的磨碎的燃料改进剂的照片;图3为示出了在燃料改进剂和煤的不同混合物的燃烧期间CO释放的图;图4为示出了在5%燃料改进剂和95%煤的混合物的燃烧期间CO释放的图;图5为示出了在燃料改进剂和煤的不同混合物的燃烧期间CO释放的图;以及图6为示出了与单独的煤燃烧期间CO释放相比,单独的燃料改进剂燃烧期间CO释放的图。
具体实施方式
本发明改进的燃烧方法涉及燃料改进剂注入碳基燃料燃烧器如烧煤的发电站中的主要燃烧器中。燃料改进剂来源于金属氧化物的混合物,该金属氧化物通常来源于是金属熔炼过程副产物的熔渣,通常在铜和镍的生产中。熔渣材料包括以金属氧化物形式的过量的氧,本发明人已发现通过加热到足够的温度可以将这种氧释放到燃烧器中。燃料改进剂可以包括氧化物如铁氧化物、氧化钙、二氧化硅、氧化镁和氧化铝,尤其是如表1中示出的。参见表1,对于两种燃料改进剂样品的X-射线荧光(XRF)分析。可以来自不同的来源和以不同的量来使用多种不同的氧化物。熔渣的组成将取决于被熔炼的矿石的类型和矿石本身的起源而变化。如表中所示,铁和硅的氧化物占主导。表1:燃料添加剂的两种样品的XRF分析。组成
样品1
样品2
Fe(总计)%
50.2
50.1
CaO%
3.18
3.19
SiO₂%
37.59
38.98
MgO%
3.20
3.22
Al₂O₃%
5.57
5.72
P%
0.035
0.036
Mn%
0.054
0.053
S%
1.610
1.400
K₂O%
0.680
0.690
V₂O₅%
0.018
0.018
TiO₂%
0.320
0.320
ZnO%
0.080
0.080
PbO%
0.001
0.001
Na₂O%
0.600
0.600
注意—Fe含量包括Fe的氧化物,主要是Fe₂O₃本发明的燃料改进剂组合物通常包含属于周期表的3和4周期(II-V族)的化学元素及它们的氧化物。优选地,减小本发明的燃料改进剂的粒径。这可以破坏改进剂化合物的晶格或使其变形或使其应变,其可以使改进剂化合物中的氧更加可用于与煤反应。减小改进剂的粒径还可以增加改进剂的表面积,提高反应速率。优选地,燃料改进剂的粒径通过磨碎(精细研磨)而减小。燃料改进剂优选利用适合于从硬质材料产生精细粉末的研磨机进行磨碎,如球磨机或辊磨机,如在英国专利申请号GB0719426.9中描述的。图1为示出了通过研磨机之后的粒径直径范围的图。在此实施例中的中值粒径为18.74微米。已经进行实验以研究氧从燃料改进剂的释放。将四种不同的改进剂组合物(A、B、C和D)以不同的量与煤组合。改进剂组合物A和B来源于空气淬火的熔渣。改进剂组合物C来源于水淬火的熔渣。分析不同混合物的燃烧并且与仅存在煤的空白试验比较。组合物A对应于表1中的样品1;组合物B对应于表1中的样品2;以及组合物C对应于对样品1的分析,但是因为此样品是水淬火的,所以它具有与空气淬火的组合物A不同的结构。样品D(美洲矿石)的分析在下面的表2中给出:XRF分析
结果%
Fe(总计)
63.84
Fe₂O₃
NR
CaO
1.11
SiO₂
4.53
MgO
0.59
Al₂O₃
0.68
P
0.012
P₂O₅
NR
Mn
0.039
MnO
NR
S(通过Leco燃烧)
0.540
K₂O
0.540
V₂O₅
0.002
TiO₂
0.047
BaO
NR
ZnO
0.230
PbO
0.020
Na₂O
0.090
Cr₂O₃
NR
对于每种混合物,利用傅里叶变换红外光谱仪监测一氧化碳和二氧化碳的释放。结果示出在图3、4和5中,这些结果显示当存在燃料改进剂时,可以看到CO生产的增加,表明氧从燃料改进剂中释放。仅存在燃料改进剂的空白试验表明没有CO的产生(参见图6)。在燃烧粉煤的发电厂中,磨碎的燃料改进剂添加剂可以在注入到燃烧器之前与粉煤预先混合。可替换地,磨碎的燃料改进剂添加剂可以与煤分开加入到燃烧器中。在特别的实施例中,制备这样的燃料改进剂,该燃料改进剂包括在周期表的3和4周期(II-V族)中的化学元素,连同它们的氧化物和化合物。尤其是,这些元素包括以Mg₆(Si₄O₁₀)(OH)₈和Fe₂O₃形式的硅、铁和镁。磨碎改进剂组合物以获得小颗粒,该颗粒中85-90%的大小在10-40微米的范围内;以及10-15%在70-80微米的范围内。这些小的磨碎的颗粒通过用加热到200到250°C之间的火下空气(一次空气,underfirexa0air)注入而混合。随后,喷射精细分散的燃料改进剂并与粉煤混合直到获得均匀的混合物,其中燃料改进剂代替6%的煤。然后将煤/改进剂混合物递送到汽锅炉用于燃烧以在火炬(吹管,torch)中燃烧。将改进剂与煤一起定期地通过使用粉煤的锅炉燃烧器引入到火炬底部并均匀地分散在整个烃燃料燃烧区的空间中。当改进剂到达温度在300到600°C范围内的火炬底部时,观察到明亮的爆裂。由于燃料改进剂的引入,锅炉的大气空气消耗减少14%。烃燃料的消耗减少6%。通过气体分析器分析烟道气显示:O₂(原子氧)14%减少、CO₂(二氧化碳)5%减少、CO(一氧化碳)20%减少、NOx(氮氧化物)20%减少、以及SO₂(二氧化硫)3%减少。在烟道气中不存在甲烷。烟道气的温度降低15%。在另外的实施例中,使煤与燃料改进剂在利用层燃炉的锅炉中共同燃烧。改进剂包含来自周期表的3和4周期(II-V族)的化学元素和它们的化合物的混合物,其中,尤其是,铁氧化物(FeO和/或Fe₂O₃)、石英氧化物(SiO₂)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化钙(CaO)、氧化镁(MgO)、和氧化锰(MnO)。磨碎燃料改进剂以产生具有在70到100微米范围内的尺寸的小颗粒。将磨碎的改进剂与燃料分别地供入到炉内,并均匀地分布在煤层的顶部,每个锅炉代替9.5%容量的燃料消耗。从下面通过炉栅注入热空气(60°C),向上通过煤和改进剂。通过气体分析器分析烟道气显示:O₂(原子氧)20%减少、CO₂(二氧化碳)7%减少、CO(一氧化碳)22%减少、NOx(氮氧化物)20%减少、以及SO₂(二氧化硫)4%减少。在烟道气中不存在甲烷。烟道气的温度降低20%。燃料改进剂代替燃烧器中一定比例的碳基燃料。例如,燃料改进剂可以代替按重量计5%的燃料,产生95%煤和5%改进剂的混合物。因此在燃烧过程中使用的燃料的量减少,然而,该过程可以产生更多的能量。随着使用较少的碳基燃料,灰中存在较少的碳,存在较少的碳排放。NOx和SOx排放的量也减少,这是因为完成燃料的燃烧的额外的氧来源于燃料改进剂而不是来源于另外的空气。