[发明专利]控制烟道气中水分浓度的方法

说明书

技术领域

本发明总体涉及除去烟道气中的水分和污染物，具体涉及一种采用喷雾塔调节烟道气水分含量的新型和独特的方法。

背景技术

矿物燃料的燃烧被认为是造成地球大气中二氧化碳浓度增加的主要因素。二氧化碳浓度的持续增加已使得很多政府和工业行业检查矿物燃料的大量使用，并试图开发降低二氧化碳排放的新技术。矿物燃料利用中二氧化碳的主要来源包括燃煤发电厂、发电和家庭取暖所用的天然气以及用于运输的石油燃料。据信这三个主要来源分别占从矿物燃料燃烧系统中排放的二氧化碳的36％、22％和42％。由于发电厂的用煤代表了二氧化碳的点源(point source)，因此政府和发电厂集中精力开发控制这些来源中二氧化碳排放的可靠方法。

提议用于从发电厂捕获、传输和处理二氧化碳的现有技术属于能量密集型并且非常昂贵。用于捕获和浓缩二氧化碳的大多数成熟的CO₂技术是用各种商业应用的有机胺(例如乙醇胺)从原始天然气中除去CO₂的吸收-除去(absorption-stripping)方法。然而，将这种技术应用于发电厂导致工厂输出的电力损失超过30％。因此，政府和依靠燃煤来满足其能量需求的行业需要开发经济可行的二氧化碳捕获技术用于燃煤发电厂。

可能能够用于浓缩发电厂烟道气中的二氧化碳并且比胺洗涤方法能量损失更小的另外一种技术是通常称为氧燃烧(oxy-combustion)的技术。在正常的燃烧过程中，用含有约21体积％氧气和约78体积％氮气的大气燃烧燃料。燃料中的碳与空气中的氧气反应产生二氧化碳，燃料中的氢气与氧气反应产生水蒸汽。燃烧的气体产物通常称为烟道气，它含有10-15％的CO₂和4-7％的H₂O，其余主要由氮气组成。如果能够在矿物燃料燃烧之前将空气中的氧气与氮气分离，则燃烧过程产生的烟道气将含有浓度高得多的CO₂和水蒸汽(通常高约3倍，可能高达5倍)。

用浓缩的氧气替代大气是氧燃烧法的主要特征之一。另一个特征是烟道气的再循环。图1显示了氧燃烧锅炉的示意图。将煤和氧气供应到位于颗粒收集器和烟道气脱硫装置上游的锅炉中。然后净化的烟道气被分成两股气流，一股再循环回到燃烧过程，另一股排到大气中或处理后隔离。

假如用氧燃烧技术改进现有的锅炉(boiler)，则熔炉(furnace)被设计成在预定的温度(一般约为2500-3000°F)范围内工作，向锅炉各部分的热传递不得被新的氧燃烧结构改变。然而，用氧气取代空气可造成燃烧过程在显著升高的温度下进行，在大多数情况下，该温度高到足以对锅炉造成不可修复性的损坏。此外，在改进的应用中，烟道气的流量仅为锅炉设计通过气流的五分之一，造成向锅炉各组件的热传递分布发生改变，进而对驱动涡轮的气流的产生造成不良影响。然而，如果将锅炉废气中的烟道气循环回到锅炉中，则引入到燃烧系统中的氧气被烟道气冲淡，从而富含氧气的烟道气中的整体氧气浓度与大气接近。

通过限制引入到再循环烟道气中的氧气的水平，锅炉可在正常的设计条件下工作，通过其余的气流产生部分的烟道气流速和温度特征可与设计条件相匹配。再循环的烟道气主要含有CO₂和H₂O。将氧气注入再循环的烟道气产生氧气浓度约为空气中氧气浓度的富含氧气的烟道气，产生所需的氧燃烧效果(即，产生用于发电的气流，其中产生的烟道气主要由二氧化碳组成)，并通过例如但不限于隔离来改善排放物的处理。

矿物燃料例如煤天然地含有一些杂质例如硫、矿物质以及汞，必须控制这些杂质的排放以符合现有的和即将颁布的法规。因为从氧燃烧过程排出的烟道气流速约为传统燃烧过程排出的烟道气的五分之一，因此灰尘收集器、脱硫处理和汞捕获装置的尺寸可能能够小很多。然而，在回到锅炉的再循环烟道气中，所有这些污染物的浓度可比传统燃烧过程的排出物高出达5倍。例如，如果传统燃烧过程的烟道气中SO₂的浓度是1500ppm，那么再循环烟道气中SO₂的浓度可约为7500ppm。对于颗粒物和汞也有类似的对比。

再循环的烟道气中SO₂浓度和水分浓度的同时增加可进一步加剧空气加热器以及最终湿式洗涤器中硫酸的冷凝。如果在再循环回路中放置污染物去除装置，则这些污染物的浓度都可被大大降低。如果这些污染物的浓度被大大降低，设备尺寸的减少所带来的益处被最小化，然而在很多应用(例如将氧燃烧加入现有燃煤锅炉的改进性应用)中，这些污染物对熔炉和锅炉组件的有害作用被显著降低。