阅读说明：本技术 操作包括捕获烟道气体夹带的灰分的设备的焚烧装置的方法 (Method of operating an incineration plant of a plant comprising capture of flue gas entrained ash ) 是由 约瑟夫·扬·彼得·比尔曼 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：一种用于对固体燃料的焚烧装置(100)进行操作的方法,所述焚烧装置(100)包括用于将来自烟道气体的灰分进行分离的装置(160),该方法的包括以下步骤：从所述焚烧装置(100)收集源自于包含灰分的烟道气体的灰分沉积物,从而获得所收集的灰分；为了改善所收集的灰分的流动性,该方法包括以下步骤：将包含i)粘土和ii)碳酸钙的粉末状添加剂材料引入到包含灰分的烟道气体中,其中,包含灰分的烟道气体在引入添加剂材料的位置处具有至少700℃的温度,其中,以比率R引入添加剂,该比率R是包含灰分的烟道气体流中的灰分的质量的至少0.1倍。(A method for operating an incineration plant (100) for solid fuel, said incineration plant (100) comprising means (160) for separating ash from flue gases, the method comprising the steps of: collecting ash deposits originating from flue gas comprising ash from the incineration device (100), thereby obtaining collected ash; in order to improve the flowability of the collected ash, the method comprises the steps of: introducing a powdered additive material comprising i) clay and ii) calcium carbonate into a flue gas comprising ash, wherein the flue gas comprising ash has a temperature of at least 700 ℃ at the location of introduction of the additive material, wherein the additive is introduced at a ratio R which is at least 0.1 times the mass of ash in the flue gas stream comprising ash.)

操作包括捕获烟道气体夹带的灰分的设备的焚烧装置的方法

技术领域

本发明涉及一种对焚烧装置进行操作的方法，所述焚烧装置包括：

-室，该室用于在含氧气体存在的情况下焚烧固体燃料，

-烟道气体通道，该烟道气体通道用于使从该室排出的烟道气体穿行至排放口，其中，所述烟道气体包含灰分，以及

-设备，该设备用于将来自烟道气体的灰分分离成：

–具有降低的灰分含量的烟道气体，和

-灰分；

其中，所述方法包括以下步骤：

-将含氧气体和固体燃料引入到该室中以焚烧所述固体燃料，从而产生包含灰分的烟道气体的流，

-使用该设备从包含灰分的烟道气体的流中捕获灰分，以及

-从焚烧装置收集源自于包含灰分的烟道气体的灰分沉积物，从而获得所收集的灰分。

背景技术

众所周知，焚烧固体燃料会产生灰分(ash)。这些灰分的一部分可能留在室内，并从那里被收集。然而，微小的灰分粒子(飞灰)可能会被烟道气体夹带并且会被排放到环境中。由于这被认为是不期望的，因此已知使用一种设备，例如旋风分离器、静电过滤器、织物过滤器或重力沉降器(排放通道的具有增大的横截面积的部分，从而流动速率较低使粒子能够沉降在此处)。此类设备必须要清洁。

问题在于，从设备收集的灰分，以及从焚烧装置收集的、在燃烧室之后和设备之前附着于焚烧装置的内表面上的灰分具有形成桥的趋势，从而减少了其流动的趋势。例如，如果焚烧装置包括阀或螺旋推运器，用于清除所收集的灰分，则灰分可能无法通过阀，或可能无法进入螺旋推运器，或者可能不那么容易，并因此不易运输。此外，收集到的灰分随后必须通过例如卡车运输，有限的流动能力使装载卡车的时间更长。

发明内容

本发明的目的是提高从烟道气体的流中收集的灰分的流动性。

为了这个目的，根据前序部分的方法的特征在于，该方法包括以下步骤：使用横向于包含灰分的烟道气体的流的注入口而将包含i)粘土和ii)碳酸钙的粉末状添加剂材料引入到包含灰分的烟道气体中，其中，包含灰分的烟道气体在引入添加剂材料的位置处具有至少700℃的温度，并且在该设备的上游被引入，其中，粉末状添加剂材料的粉末粒子包含颗粒，每个颗粒包含粘土与碳酸钙的混合物，就相对于碳酸钙而言按重量计至少10％是以下形式的碳酸钙：当在氮环境下以每分钟10℃的升温速率通过热重分析进行表征时，所述形式的碳酸钙当达到875℃的温度时已经被完全分解；

并且其中，以比率R引入粉末状添加剂材料，该比率R是包含灰分的烟道气体的流中的灰分的质量的至少0.1倍。

已经发现，所收集的包含灰分和添加剂的材料具有更好的流动能力。还已经发现，通过排放被排至环境中的粒子(灰分和添加剂)的总量减少了。

已经发现，并非所有的碳酸钙都是相等的。使用热重分析(TGA)，可以选择含碳酸钙的添加剂材料，该材料适用于使从设备收集的所得粒子灰分材料中的桥形成减少。

热重分析(TGA)根据在特定环境中以特定的速率加热样品来测量质量下降。然后，所测得的添加剂材料的质量下降可以归因于CaCO₃的分解及其同时释放的CO₂。对于要求保护的发明，由A.W.Coats和J.P.Redfern在热重分析中描述的方法；A review，Analyst，1963,88，906-924，DOI：10.1039/AN9638800906是标准方法。

背景：由于CaCO₃的摩尔量和CaO的摩尔量不同，因此可以测量在释放CO₂时由于分解而产生的质量差异。在实践中，可以验证所测量的重量损失实际上是由于释放出气态CO₂引起的。为此，通过任何合适的方法，例如质谱法，对离开TGA测量设备出口的气体进行表征。

为了简要说明Coats等人的方法，TGA测量是在氮气环境下以每分钟10℃的升温速率从环境温度上升到典型的1100℃。样品的重量用碳酸钙的百分比表示，其中100％表示未有转化的碳酸钙。由于CaCO₃的(四舍五入)摩尔量为100g/mol，加热碳酸盐时释放的CO₂的摩尔量为44g/mol，因此分解后的剩余质量分数为56％。

在本领域中，已知使用白云石或石灰石作为捕获SO₂的添加剂材料。已经发现，这些添加剂材料只有在较高的温度和/或增加的停留时间下才能达到完全分解，而这并不符合令人满意的实际用途，特别是在含有非化石生物材料(工厂材料)和生活垃圾的固体燃料的情况下，其中包含灰分的烟道气体的温度通常相对较低。

在本申请中，术语“固体燃料”是指该燃料在30℃的温度处为固体。引入燃料的室例如是流化床或炉排焚烧装置的室。燃料粒子的尺寸可以相对小(例如，毫米或更小的数量级)或相对大(例如，厘米或更大的数量级)。固体燃料例如是生物质，来自工业过程或家庭的垃圾或它们的混合物。

术语“粉末状材料”指示了具有小于100μm的粒子尺寸的材料。这些粒子具有颗粒的性质，即，粒子通常包含大量更小的粒子。

通常，将添加剂材料引入到包含灰分的烟道气体中，其中包含灰分的烟道气体具有至少800℃且小于1150℃的温度。在涉及火焰的焚烧过程中，优选将添加剂材料注入火焰下游。气动注入的进行通常使用空气作为输送介质，使用横向于烟道气体流的方向而定向的注入口，并施加气动运输介质的速度通常大于10m/s、更优选地大于15m/s。优选地，使用至少一个在包含灰分的烟道气体的流中突出的注入喷枪来执行注入。

添加剂在到达设备之前在包含灰分的烟道气体中的驻留时间通常为至少1秒、优选地为至少3秒，并且更优选地为至少5秒。因此，增强了与灰分粒子的相互作用以改善灰分的捕获。

在本申请中，包含灰分的烟道气体是含有非气态材料的烟道气体。烟道气体中的此类非气态材料通常包括固体和/或至少部分地包括源自于燃料的熔融粒子，其在冷却后变为固体灰分。因此，在本申请中，术语“包含灰分的烟道气体”中的术语“灰分”涉及非气态材料，无论其是熔融形式还是固态形式。通常，非气态材料的浓度相对于烟道气体重量大于0.02％wt.。

根据本发明的方法非常适合于焚烧固体废物材料。因此，固体燃料通常包含50％以上、优选地75％以上、甚至更优选地90％以上的此类材料(包括家庭和工业废物材料的混合物)。

含氧气体通常是空气。

通常，添加剂材料的水含量将小于添加剂材料的2％wt./wt.。

WO2013093097和US2015/0192295公开了粘土基添加剂在焚烧工厂中的高温下的使用，以改善如吸收、结渣、和/或烧结等性能。一旦收集起来的所得灰分比使用根据本发明的方法获得的所收集灰分的流动性小。在不希望受到任何特定理论的约束的情况下，相信本发明中收集的灰分的更好流动性是由于根据本发明的添加剂中的特定碳酸钙的有效分解引起的，这些出版物对此没有提及。

根据有利的实施方式，就相对于碳酸钙而言按重量计至少40％，且更优选地至少70％为以下形式的碳酸钙：当在氮气环境下以每分钟10℃的升温速率通过热重分析进行表征时，所述形式的碳酸当达到875℃的温度时已经被完全分解。

因此，需要较少的添加剂，并且在烟道气体释放到环境中之前，如可能期望或需要的，必须捕获减少量的固体。

根据一种有利的实施方式，使用多个注入口引入添加剂材料，其中，将注入口的数量选择成使得每个注入口的烟道气体的量为每小时至少10000kg烟道气体。

已经发现这种实施方式效果很好，并且导致由于注入口的数量有限，因此向焚烧装置中施加的有限量的气动运输空气不到燃烧空气施加量的1％，这进而又避免了影响焚烧过程中的微妙平衡(优化燃烧、热效率，同时尽量减少氮氧化物的产生)。

根据一种有利的实施方式，固体燃料是包含非化石生物来源的材料的燃料。

非化石生物来源的材料是例如生物燃料(例如，芒属植物，木片)。

根据一种有利的实施方式，将添加剂材料引入到包含灰分的烟道气体中，其中，包含灰分的烟道气体具有从875℃至1050℃的范围内的温度，并且优选地，包含灰分的烟道气体具有从900℃至1000℃的范围内的温度。

已经发现这种实施方式效果很好。粉末状添加剂分解成较小的颗粒，随后与来自烟道气体的非气态物质一起聚集成较大的粒子，有效地捕获了所述非气态物质，从而获得了具有改善的流动能力的灰分。

根据一种有利的实施方式，根据包含灰分的烟道气体中的灰分含量来控制所引入的添加剂材料的量。

可以通过称量从烟道气中收集的灰分的量，并记录各个收集间隔之间经过的时间来测量灰分产生。通常，从焚烧装置收集的灰分通过运载工具(例如卡车)运输以用于进一步处置，该运载工具在进入(空载)和离开(装载有灰分)焚烧工厂时被称重。如本领域技术人员所熟悉的，通过秤来进行对运载工具的称量。通过烟道气体的量(m³/h)与烟道气体中未收集的灰分的浓度(mg/m³)相乘来评估未从烟道气体中收集的灰分的量。评估烟道气体的量的测量方法是本领域技术人员所熟悉的，例如在规程NEN-EN-ISO 16911-1中所述。评估烟道气体中未捕获的灰分的量的测量方法(粉尘测量)也是本领域技术人员熟悉的，例如在规程NEN-EN-13284-1：2001中所述的。

术语“根据”指示了该量与包含灰分的烟道气体中的灰分含量正相关。

根据一种有利的实施方式，粉末状添加剂材料以比率R被引入，该比率R是包含灰分的烟道气体的流中的灰分的质量的0.2倍至5倍，优选地，R是在包含灰分的烟道气体的流中的灰分的质量的0.3倍与2倍之间的比率，并且最优选地，R是在包含灰分的烟道气体的流中的灰分的质量的0.4倍与1.2倍之间的比率。

这导致所收集的灰分具有甚至进一步改善的流动性。

根据一种有利的实施方式，焚烧装置是工厂的一部分，所述工厂还包括用于对包含高岭土的纸张废物材料进行热转换的单元，其中，在含氧气体存在的情况下，在具有自由空域(freeboard)的流化床中对高岭土进行热处理，

其中，该流化床在720℃与850℃之间的温度处进行操作，自由空域的温度为850℃或更低，从而获得粉末状添加剂材料，将粉末状添加剂材料引入至焚烧装置的包含灰分的烟道气体中

通过引用并入的WO9606057中详细公开了制备这种粉末状添加剂材料的方法。

根据一种有利的实施方式，可转换的碳酸钙与粘土的重量/重量比是在介于1到10的范围内、优选地，可转换的碳酸钙与粘土的重量/重量比是在介于1到5的范围内，以及更优选地，可转换的碳酸钙与粘土的重量/重量比是在介于1到3的范围内。

因此，在改善灰分捕获率的同时，可以保持相对低的添加剂材料的量。

根据一种有利的实施方式，粉末状材料的水含量小于0.9％wt./wt.％，优选地小于0.5％wt./wt.。

这有助于将粉末状材料快速分散到包含灰分的烟道气体中。

附图说明

现在将参考下面的示例部分并参考附图来说明本发明，其中，

图1示出了焚烧装置的示意图；

图2示出了各种含碳酸钙的材料的热重分析(TGA)图；以及

图3示出了根据本发明(右)获得的灰分的流动性与控制部分的比较。

具体实施方式

图1示出了包括焚烧装置100的工厂，该焚烧装置100包括燃烧室110，烟道气体通道120，热交换器130和排放管140以及用于将来自烟道气体的灰分进行分离的设备160，在此处该设备是静电过滤器。

家用和工业派生的废物材料的混合物从燃料存储装置中经由炉排170上的料斗被馈送。空气经由供气导管180被引入到燃烧室110中。

添加剂材料经由注入口150被引入到烟道气体通道120中。

在热交换器130的下游，在清洁的烟道气体经由排放管140排放到环境之前，使用设备160将添加剂材料与来自热交换器130的包含灰分的冷却烟道气体分离。

定期去除沉积在热交换器130上的灰分，并经由料斗190将该灰分从焚烧装置中排放。由设备160捕获的灰分经由料斗200排放。

实验部分

1.添加剂材料的表征

以下材料用于焚烧实验，其特性如下所述。

粉末大小

激光衍射被用于测量在0.1μm至600μm范围内的粒子尺寸。通常，固态二极管激光器由自动对准系统通过测量单元聚焦。光被样品粒子散射至多元素检测器系统，该系统包括高角度和反向散射检测器，以获得完整的角度光强度分布。在典型的测试中，将10mg的样品添加至液态分散介质中。推荐的用于样品的分散介质是异丙醇。以下所述样品A至F的粒子的重量的95％具有小于100μm的尺寸。

适合用于本发明中的添加剂材料

-A-由根据WO0009256制备的脱墨造纸污泥生产的含碳酸钙的材料。

通过X射线荧光法确定材料的成分。该材料含有质量百分比为30的碳酸钙；质量百分比为25的氧化钙；36％的偏高岭土形式的二氧化硅-氧化铝粘土。

参考材料：

-B-实验室级碳酸钙(Perkin Elmer Corporation,Waltham,Massachusetts,USA(美国马萨诸塞州沃尔瑟姆市珀金埃尔默公司)的实验室级碳酸钙)

-C-磨细石灰石(汞吸附剂，样品取自Chemical Lime Company in St.Genevieve,MO,USA(美国密苏里州圣吉纳维夫化学石灰公司))

-D-磨细石灰石(样品取自Mercury Research Center at 19Gulf Utility,Pensacola,Florida,USA(美国佛罗里达州彭萨科拉海湾公用事业公司19号汞研究中心))

-E-磨细白云石(样品取自USA National Institute of Standards andTechnology(NIST)(美国国家标准技术研究所)，称为标准参考材料(SRM)88b)

-F-磨细石灰石(样品取自the USA National Institute of Standards andTechnology(NIST)(美国国家标准技术研究所)，称为标准参考材料(SRM)1d.SRM 1d包含泥质石灰石)

材料分解

TGA测量是使用Setaram Labsys EVO TGA仪器(Setaram Company,Caluire,France(法国卡卢尔的塞塔拉姆公司))在氮气环境中以每分钟10℃的升温速率进行的。

从图2中可以看出，曲线A至曲线F对应于上面列出的含碳酸钙的材料，碳酸钙的分解发生在不同的温度处。对于曲线E，在大约950℃处的第二陡峭向下倾斜与碳酸钙的分解有关，在大约800℃处的第一陡峭倾斜与碳酸镁的分解有关。

EDX测量

根据WO0009256生产的添加剂材料(A)的单个粒子同时包含粘土以及钙化合物两者，这可以从结合电子显微镜(EM)施加的能量弥散X射线光谱(EDX)中观察到，这两种方法均被视为本领域技术人员已知的。甚至是对在EM中可见的最小粒子(通常具有几微米的大小)进行的EDX测量，也表明每个粒子中都同时存在有钙种类和二氧化硅/氧化铝种类。钙种类表示添加剂材料中存在的钙和碳酸钙，而二氧化硅/氧化铝种类表示添加剂材料中存在的粘土部分。

2.焚烧实验

使用如图1所示的焚烧装置100进行实验。

焚烧装置处理的燃料包括家用和工业派生的废物材料。焚烧导致在离开燃烧室170的烟道气体中产生灰分的量，这些灰分在下文所述的单个实验2A、2B和2C中进一步详细说明。使用WO9606057中所述的方法，以85％比15％的重量比将纸张残渣和堆肥污水污泥混合生成所施加的添加剂。在一高度处将添加剂注入到焚烧装置的离开焚烧室的烟道气体中，该高度从焚烧装置炉排的最低点开始测量大于15米。在下面第2A，2B和2C部分所述的每个实验期间，观察到在实验持续时间的90％以上，没有火焰达到该高度。第一热交换器内部-锅炉管-突出到烟道气体流中，位于添加剂注入位置的下游10多米处。添加剂注入位置处的烟道气体温度随固体燃料和焚烧装置中的能量产生而变化，在800℃与1050℃之间，如单个实验2A、2B和2C中进一步详述的。通常通过内径通常为32mm的钢注入口(图1中的右箭头)通过气动注入来将灰分的量和添加剂的量注入到烟道气体中，这将在下面的单个实验2A，2B和2C中进一步详细描述。在下面描述的单个实验2A，2B和2C中还进一步详细说明了注入空气的平均速度。

2A.改善的灰分流动性(1)

灰分是从废物焚烧工厂收集的，该废物焚烧工厂操作着数个相同的焚烧熔炉和锅炉。熔炉中的一者未施加添加剂，并作为参考实例。参考实例中从烟道气体中收集的灰分的量约为400kg/h。另一熔炉以70kg/h的速率施加添加剂，通过四个注入口和大约15m/s的注入空气速度(位置如图1中的参考标号150所指示的)将添加剂注入温度为约950℃的烟道气体中。从烟道气体中收集的固体总量为470kg/h。

在操作变化范围内，进一步的操作条件和在焚烧装置中处理的材料是相同的。

通过以下方式将杯子填充至大约半满：添加20克灰分(参考实例；图3左半部分)和使用添加剂的该方法获得的20克灰分(图3右半部分)，它们分别具有参考标号为300和参考标号330。然后将杯子倾斜以观察灰分或灰分加添加剂的混合物到达杯子外倾点的那一刻。这分别由参考标号310和340指示。使用根据本发明的方法获得的材料比参考材料更容易流动-在杯子的倾斜较小的情况下。直到从杯子中倾出为止所需的旋转对于参考而言约为95度，对于灰分加添加剂而言约为80度。然后将杯子进一步倾斜，以观察全部量的灰分(参考实例)或灰分加添加剂何时从杯子中倾出，如图3分别由参考标号320(参考灰分)和参考标号340(灰分加添加剂)指示。同样，当与添加剂混合时，材料流动较容易-杯子的倾斜较小。完全排空杯子所需的旋转对于参考而言约为150度，而对于根据本发明获得的灰分材料而言约为110度。

2B.改善的灰分流动性(2)

通过重力沉降(图1，参考标号190)和电滤(图1，参考标号200)，从废物焚烧工厂的烟道气体中收集灰分。将两种灰分流混合在一起，然后装载在筒仓容器(卡车)中。在没有进一步显著变化的情况下，出现了两种情况。第一种情况反映了正常的操作规程，没有施加添加剂。第二种情况反映了施加添加剂的效果。在不施加添加剂的情况下收集的正常灰分的量为120kg/h。第二种情况下施加的添加剂的量为80kg/h。通过五个注入口将添加剂注入到热的烟道气体中，烟道气体温度约为900℃。每个注入口中施加的注入空气速度约为18米/秒。在这两种情况下，所收集的灰分都被储存在筒仓里，从那里填充卡车，以便进一步对灰分进行处置。

观察到，在第一种情况下(未施加添加剂)，必须使用卡车的所有三个填充口来完全装载卡车。这意味着卡车必须在筒仓下方移动，以将每个填充口定位在筒仓出口溜槽下方。总装载时间超过25分钟。

进一步观察到，在第二种情况下(施加添加剂)，仅需使用卡车的中央填充口来完全装载卡车。在卡车针对中央填充口将自身定位后，不再需要移动筒仓下方的卡车。灰分添加剂混合物显示出积极的流动特性，允许混合物自由流入卡车。总装载时间减少到少于15分钟。

2C.改善的灰分收集效率

通过在图1指示位置处的4个注入口(具有参考标号150)，以大约15m/s的注入空气速度将用于废物焚烧工厂的70kg/h至100kg/h的添加剂的剂量添加到温度处于800℃至1000℃的烟道气体中，如下表指示的，导致穿过静电除尘器但未从烟道气体流中去除的固体显著减少。下表中应用了以下定义：

*灰分:按小时从静电除尘器过滤装置所收集的灰分粒子的量。通过称量随时间推移产生和收集的灰分的量来进行测量，这是通过测量运离焚烧装置用于进一步处置的灰分的量来进行的。

*添加剂：通过在图1指示的位置处的4个注入口(具有参考标号150)，按小时将添加剂的量注入到温度处于800℃至1000℃的烟道气体中。通过称量仓(bin)随时间推移的排出所称重的添加剂的剂量来进行测量。

*总量：前两个句子中定义的灰分架添加剂的总和。通过称量随时间推移产生和收集的灰分加添加剂的量来进行测量，这是通过测量运离焚烧装置用于进一步处置的灰分的量来进行的。

*增加：在通过静电除尘器过滤装置从烟道气体中除去之前，烟道气体中添加的或存在的固体的量(灰分加添加剂)在数学上的增加。

*ESP效率：测量的静电除尘器过滤装置的效率，由ESP的上游(未加工)烟道气体中存在的固体的量和ESP的下游烟道气体(经净化)中存在的固体的量之差进行与ESP的上游(未加工)烟道气体中存在的固体的量的数学除法来定义。

*从ESP排放：未收集的灰分或灰分加添加剂材料的量，其通过在图1中的参考标号140指示的排放，与烟道气体一起离开静电除尘器过滤装置。从测量结果可以推断，在施加根据本发明的添加剂时，排放到环境中的材料的量显著减少(73％)。