CN103782100B

CN103782100B - 将加工的燃料与煤共气化和共燃的方法

Info

Publication number: CN103782100B
Application number: CN201280030501.3A
Authority: CN
Inventors: J.W.波利格; D.R.白
Original assignee: MPH Energy LLC; Re Community Holdings II Inc
Current assignee: Renewable power Intellectual Property Co., Ltd
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2032-04-23
Also published as: US8915199B2; EP2705302A1; EP3690315A1; CN103782100A; WO2012145755A1; EP2705302A4; US20190277494A1; US20120266793A1; CN107191935A; US20150211736A1; EP2705302B1; ES2778907T3

Abstract

本申请描述了下述一体化方法，将配制成适用于在还原环境下工作的加工的燃料与煤共气化，将配制成适用于在氧化环境下工作的另一种加工的燃料与煤共燃，从而产生电力。还披露了用于使加工的燃料与化石燃料共燃的燃烧系统的装置和方法。在一些实施方式中，本发明提供燃烧系统的一体化方法，包括将第一加工的燃料和第一化石燃料引入到气化器中。该方法进一步包括是第一加工的燃料和第一化石燃料共气化，产生合成气。该方法进一步包括将第二加工的燃料、第二化石燃料以及所产生的合成气引入到燃烧反应器中。该方法还包括使第二加工的燃料、第二化石燃料以及所产生的合成气共燃。

Description

将加工的燃料与煤共气化和共燃的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年4月22日提交的美国临时申请61/478,089的优先权，其全部内容通过参考并入本申请。

技术领域

本发明总地涉及在商业、工业、和生活锅炉中共燃(cofiring)源自生物质或废料的燃料与化石燃料。

背景技术

最近在2009年，化石燃料的燃烧提供了美国几乎70%的电力，在其中煤提供了几乎一半的总能量产生量。即使在产油的地理政治区域中存在不可预见的不确定性以及通常会有动荡，但是可以预计美国储量丰富的煤将继续成为用于美国和其它富煤地区的电力生产的主要燃料。不幸地，大多数美国的烧煤发电厂超过40-50年之久，没有装配有现代化和先进的排放控制技术，例如用于除去SOx的烟道气脱硫(FGD)和用于NOx还原的选择催化还原(SCR)。由此，伴随煤燃烧带来的空气污染物例如SOx、NOx、CO₂、和颗粒物排放量是显著的，越来越引起公共健康和环境问题。因此，现今联邦和各州的关于空气污染物排放的规章已经变得越来越严格。例如，最近定案的跨州空气污染条例(Cross State Air PollutionRule)(CSAPR)要求28个州和哥伦比亚地区减少发电厂排放量。该条例将要求二氧化硫(SO₂)和氮氧化物(NOx)排放量显著降低。其要求截止到2014年，可适用的发电厂必须将它们的SO₂和NOx排放量降低至各厂分配的水平。平均起来，所有受影响的厂将使它们的SO₂排放量减少2005年水平的73%，使NOx排放量减少2005年水平的54%。

由于越来越严格的规章，可预期，认为是用于SOx和NOx排放量控制的最有效技术的烟道气脱硫(FGD)和选择催化还原(SCR)技术将在未来几年内安装完成。预期这些后燃排放控制技术将会耗资数亿美元来安装并每年耗资数百万美元来操作和维护。作为一些电力生产公司，特别是具有中或低生产量(例如<100-200MW)的那些，已经面临了来自低利润率的显著压力，设想这些公司可以简单地针对经济和环境考量就会选择去引退或减免它们的厂是不合理的。

尽管FGD和SCR的安装可以帮助这些公司来满足它们对于SO₂和NOx排放量的职责，但是它们必须去处理一些其它的不期望结果，包括增加的寄生功率消耗(parasitic powerconsumption)，水利用，和废物产生。此外，对于使用高硫煤的发电厂，这些技术具有无意的副作用，即，使得SO₃有关的腐蚀和“蓝翎(blue plume)”问题更为普遍。

作为较便宜的可替代方案之一，电力公司生产者越来越多地选择将煤和生物质燃料共混物共燃。欧洲和美国的最近研究(参见M.Sami，K，Annamalai and M.Wooldridge，“Cofiring of coal and biomass fuel bleeds,”Process in Energy and CombustionScience，27，pp.171-214，2001，通过参考并入本申请)已经确定，将生物质与化石燃料燃烧对环境和发电的经济效益两者都具有积极的影响。在大多数共燃试验中SO₂和NOx的排放量减少了(取决于使用的生物质燃料)，而CO₂净产量也本身较低，因为认为生物质是CO₂-中性的。对共燃的关注在80年代兴起于美国和欧洲，特别是关于在最初仅针对燃烧煤设计的煤发电所中使用固体废渣(纸，塑料，溶剂，焦油等)或生物质，以便于增加源自那些新机会燃料的效益裕度(benefit margin)例如温室气体(GHG)排放量的减少。

传统上，根据用于生物质和煤两者的燃料进料方法，可将生物质直接或间接共燃。最直接和成本有效的直接共燃法通过共同的研磨机、共同的进料线提供预混合的生物质和煤并用共同的燃烧器燃烧。可替换地，在另一种直接共燃法中，可以将生物质单独碾磨和提供，但是在将其递送至燃烧器中之前混合。两种方法都由于共享的燃料加工、递送和燃烧设备而相对便宜，但是受限于生物质共混比率的量，对于粉煤(PC)锅炉该比率通常为5%，对于旋流床和流化床锅炉通常为10-20%。这些直接共燃法也对燃烧工艺具有可忽略的影响，因此现有燃烧器可以共用。直接共燃也可以通过采用单独的生物质加工、递送线和专属燃烧器实现。这第三种直接共燃方法的优点是与前两种直接共燃方法相比可较好地控制生物质流动速率，并且可以实现较高的共燃比率(对于PC锅炉为10%或更高，对于旋流床和流化床装置为20%或更高)，但是需要单独的进料线和单独的燃烧器，因此增加了资金和O&M成本。此外，不管哪种煤烧制低热值生物质在生物质和煤两者燃烧的统筹控制中通常代表了显著的挑战，导致形成差燃烧效率的风险。

间接共燃是指下述方法，其中将生物质燃料提供至单独安装的燃烧器、锅炉或气化器。例如，可以安装单独的锅炉以从烧制100%的生物质产生蒸气，并将锅炉产生的蒸气与从燃烧100%煤的现有烧煤锅炉产生的蒸气混合。可替换地，可以安装单独的燃烧器以烧制100%的生物质，将高温烟道气送至现有烧煤锅炉的对流区域。再在另一种可替换且较环境友好的方法中，气化器用于将生物质在单独的气化器中气化，该气化器可以是下吸式床、上抽式床或流化床，将制得的富含氢气和一氧化碳的合成气(syngas)供入现有烧煤锅炉中并使它们在现有烧煤锅炉中燃烧。这些间接共燃技术的优点是对操作的独立控制。但是，资本成本通常较高。而且，在两个单独的装置中烧制煤和生物质燃料不会有助于最小化或解决关于它们各自应用的问题。例如，当单独烧制生物质燃料时，存在增加的腐蚀作用，这是由于燃料中高的氯和碱金属含量，但是硫氧化物排放量可能较低。灰分熔化温度也显著较低，这不仅会引起床熔渣，而且会在低温传热表面上结垢。因此，常见的是，烧制生物质的锅炉通常在显著较低温度运行，产生低温和低压蒸气(例如650psig和750°F)，这最终会导致较低的电效率。另一方面，当单独烧制煤时，实现较高碳转化率需要高温和较长反应时间。在高温，不仅硫和氯腐蚀会变得愈加严重，而且需要锅炉和传热表面采用昂贵的材料。烧煤锅炉的高温会使得针对排放量控制向炉中注射吸附剂变得困难，这是由于高度的吸附剂烧结以及可实现的短反应时间。

附图说明

图1是本发明一些实施方式的燃烧系统的方块图。

图2A是图1的系统使用的示例性共燃系统的示意图。

图2B是图1的系统使用的示例性共燃系统的示意图。

图2C是商业规模粉煤锅炉的示例性共燃系统的示意图。

图3是根据本发明一些实施方式的示例性燃烧系统的示意图。

图4是图3的示例性燃烧系统的示意图，说明气化器的另外细节。

发明内容

本发明提供共燃加工的燃料和化石燃料的燃烧系统的设备和方法。在一些实施方式中，本发明提供燃烧系统的一体化方法，包括将第一加工的燃料和第一化石燃料引入到气化器中。该方法进一步包括将第一加工的燃料和第一化石燃料共气化以制备合成气。该方法进一步包括将第二加工的燃料、第二化石燃料和制备的合成气引入到燃烧反应器中。该方法也包括将第二加工的燃料、第二化石燃料、和制备的合成气共燃。

在一些实施方式中，第一加工的燃料不同于第二加工的燃料。在一些实施方式中，使第一加工的燃料优化用于在还原环境中燃烧，使第二加工的燃料优化用于在氧化环境中燃烧。在一些实施方式中，燃烧器是锅炉，共燃包括：在锅炉的燃烧区域中燃烧第二加工的燃料和第二化石燃料，在锅炉的再烧区域燃烧合成气。在一些实施方式中，共燃步骤包括直接共燃和间接共燃之一。

在一些实施方式中，第一加工的燃料和第二加工的燃料中的至少一种包括一种或多种吸附剂。一种或多种吸附剂选自倍半碳酸钠(Trona)，碳酸氢钠，碳酸钠，铁酸锌，铁酸锌铜，钛酸锌，铜铁铝氧体(copper ferrite aluminate)，铝酸铜，氧化铜锰，担载在氧化铝上的镍，氧化锌，氧化铁，铜，氧化亚铜(I)，氧化铜(II)，石灰石，石灰，Fe，FeO，Fe₂O₃，Fe₃O₄，铁屑，CaCO₃，Ca(OH)₂，CaCO₃·MgO，CaMg₂(CH3COO)₆，二氧化硅，氧化铝，陶土，高岭石，矾土，酸性白土，绿坡缕石，煤灰，蛋壳，Ca-蒙脱土，和有机盐例如乙酸钙镁(CMA)，乙酸钙(CA)，甲酸钙(CF)，苯甲酸钙(CB)，丙酸钙(CP)，和乙酸镁(MA)，及其混合物。

在一些实施方式中，化石燃料包括一种或多种煤。一种或多种煤选自：无烟煤，褐煤，烟煤，及其混合物。

在一些实施方式中，本发明提供改变燃烧系统的总的共燃比率的一体化方法。该方法包括将第一加工的燃料和第一化石燃料以第一共燃比率引入到气化器中。该方法也包括将第一加工的燃料和第一化石燃料共气化(cogasifying)以制备合成气。该方法也包括将第二加工的燃料和第二化石燃料以第二共燃比率引入到燃烧器中。该方法也包括将制备的合成气引入到燃烧器中，以及将第二加工的燃料、第二化石燃料、和制备的合成气共燃。该方法也包括通过改变第一加工的燃料、第一化石燃料、第二加工的燃料、和第二化石燃料中至少两种的输入特征而改变燃烧的总的共燃比率，其中第一共燃比率和第二共燃比率基本上不变。

在一些实施方式中，改变的输入特征是以下之一：重量，每单位时间的重量，热值，和每单位时间的热值。在一些实施方式中，总的共燃比率为约10%至约50%。在一些实施方式中，第二共燃比率为约5至约20%，小于约1%至约5%。在一些实施方式中，第一共燃比率为约30%至约70%。在一些实施方式中，化石燃料包括一种或多种煤。在一些实施方式中，一种或多种煤选自：无烟煤，褐煤，烟煤，及其混合物。在一些实施方式中，使第一加工的燃料优化用于在还原环境中燃烧，其中使第二加工的燃料优化用于在氧化环境中燃烧。在一些实施方式中，第一加工的燃料和第二加工的燃料中的至少一种包括一种或多种吸附剂。在一些实施方式中，所述一种或多种吸附剂选自倍半碳酸钠(Trona)，碳酸氢钠，碳酸钠，铁酸锌，铁酸锌铜，钛酸锌，铜铁铝氧体，铝酸铜，氧化铜锰，担载在氧化铝上的镍，氧化锌，氧化铁，铜，氧化亚铜(I)，氧化铜(II)，石灰石，石灰，Fe，FeO，Fe₂O₃，Fe₃O₄，铁屑，CaCO₃，Ca(OH)₂，CaCO₃·MgO，CaMg₂(CH₃COO)₆，二氧化硅，氧化铝，陶土，高岭石，矾土，酸性白土，绿坡缕石，煤灰，蛋壳，Ca-蒙脱土，有机盐例如乙酸钙镁(CMA)，乙酸钙(CA)，甲酸钙(CF)，苯甲酸钙(CB)，丙酸钙(CP)，和乙酸镁(MA)，及其混合物。在一些实施方式中，第一加工的燃料包括一种或多种吸附剂，所述共气化在高于一种或多种吸附剂的烧结温度的温度进行。在一些实施方式中，共燃步骤包括直接共燃和间接共燃之一。在一些实施方式中，燃烧器是锅炉，其中共燃包括：在锅炉的燃烧区域中燃烧第二加工的燃料和第二化石燃料；和在锅炉的再烧区域燃烧合成气。

在一些实施方式中，本发明提供燃烧系统，其包括：气化器，用于接收在第一共燃比率的第一加工的燃料和第一化石燃料，所述气化器可操作用于将第一加工的燃料和第一化石燃料共气化以制备合成气。该系统也包括燃烧器，用于接收在第二共燃比率的第二加工的燃料和第二化石燃料，所述燃烧器还从所述气化器接收所述合成气，所述燃烧器可操作用于共燃第二加工的燃料、第二化石燃料、和制备的合成气。燃烧系统可操作以通过改变第一加工的燃料、第一化石燃料、第二加工的燃料、和第二化石燃料中至少两种的输入特征来改变所述燃烧系统的总的共燃比率，其中第一共燃比率和第二共燃比率基本上未改变。

在一些实施方式中，改变的输入特征是以下之一：重量，每单位时间的重量，热值，和每单位时间的热值。在一些实施方式中，总的共燃比率为约10%至约50%。在一些实施方式中，第二共燃比率为约5%至约20%。在一些实施方式中，第一共燃比率为约30%至约70%。在一些实施方式中，化石燃料包括一种或多种煤。在一些实施方式中，所述一种或多种煤选自：无烟煤，褐煤，烟煤及其混合物。在一些实施方式中，使第一加工的燃料优化用于在还原环境中燃烧，其中使第二加工的燃料优化用于在氧化环境中燃烧。在一些实施方式中，第一加工的燃料和第二加工的燃料中的至少一种包括一种或多种吸附剂。在一些实施方式中，所述一种或多种吸附剂选自倍半碳酸钠(Trona)，碳酸氢钠，碳酸钠，铁酸锌，铁酸锌铜，钛酸锌，铜铁铝氧体，铝酸铜，氧化铜锰，担载在氧化铝上的镍，氧化锌，氧化铁，铜，氧化亚铜(I)，氧化铜(II)，石灰石，石灰，Fe，FeO，Fe₂O₃，Fe₃O₄，铁屑，CaCO₃，Ca(OH)₂，CaCO₃·MgO，CaMg₂(CH₃COO)₆，二氧化硅，氧化铝，陶土，高岭石，矾土，酸性白土，绿坡缕石，煤灰，蛋壳，Ca-蒙脱土，有机盐例如乙酸钙镁(CMA)，乙酸钙(CA)，甲酸钙(CF)，苯甲酸钙(CB)，丙酸钙(CP)，和乙酸镁，及其混合物。在一些实施方式中，第一加工的燃料包括一种或多种吸附剂，气化器在高于一种或多种吸附剂的烧结温度的温度进行共气化。在一些实施方式中，燃烧器可以直接或间接共燃。

在一些实施方式中，本发明提供燃烧系统的一体化方法，其包括将第一加工的燃料和第一化石燃料引入到共燃装置中。该方法也包括共燃第一加工的燃料和第一化石燃料以制备合成气。该方法也包括将第二加工的燃料、第二化石燃料和制备的合成气引入到燃烧反应器中。该方法也包括共燃第二加工的燃料、第二化石燃料、和制备的合成气。

在一些实施方式中，第一共燃装置选自：气化器，燃烧器，和锅炉。在一些实施方式中，第一共燃装置是燃烧器或锅炉，所述燃烧器或锅炉包括在还原环境中操作的床区域。在一些实施方式中，合成气完全燃烧或不完全燃烧。在一些实施方式中，第一加工的燃料不同于第二加工的燃料。在一些实施方式中，使第一加工的燃料优化用于在还原环境中燃烧，其中使第二加工的燃料优化用于在氧化环境中燃烧。在一些实施方式中，燃烧器是锅炉，共燃包括：在锅炉的燃烧区域中燃烧第二加工的燃料和第二化石燃料；和在锅炉的再烧区域燃烧合成气。在一些实施方式中，共燃步骤包括直接共燃和间接共燃之一。在一些实施方式中，第一加工的燃料和第二加工的燃料中的至少一种包括一种或多种吸附剂。在一些实施方式中，所述一种或多种吸附剂选自倍半碳酸钠(Trona)，碳酸氢钠，碳酸钠，铁酸锌，铁酸锌铜，钛酸锌，铜铁铝氧体，铝酸铜，氧化铜锰，担载在氧化铝上的镍，氧化锌，氧化铁，铜，氧化亚铜(I)，氧化铜(II)，石灰石，石灰，Fe，FeO，Fe₂O₃，Fe₃O₄，铁屑，CaCO₃，Ca(OH)₂，CaCO₃·MgO，CaMg₂(CH₃COO)₆，二氧化硅，氧化铝，陶土，高岭石，矾土，酸性白土，绿坡缕石，煤灰，蛋壳，Ca-蒙脱土，乙酸钙镁，乙酸钙，甲酸钙，苯甲酸钙，丙酸钙，和乙酸镁，及其混合物。在一些实施方式中，化石燃料包括一种或多种煤。在一些实施方式中，所述一种或多种煤选自：无烟煤，褐煤，烟煤，及其混合物。

具体实施方式

以下说明书和非限制性实施例进一步更详细地说明本发明。

定义

本申请的说明书和权利要求书中使用的动词“包括”及其词性变化以其非限制性意义使用以表示该词之后的项目包含在其中，但是不排除未明确提及的项目。

术语“空气当量比(air equivalence ratio)”(AR)表示提供至燃烧反应器的空气的量除以燃料完全燃烧所需的空气的量的比率。空气当量比“AR”可以由以下方程表示：

AR=(提供至燃烧反应器的空气)/(燃料完全燃烧所需的空气)

术语“英热单位”(BTU)表示将一磅水的温度提升一华氏度所需的热能的量。一千BTU表示为MBTU，一百万BTU表示为MMBTU。

术语“碳含量”表示在燃料的固定碳中以及所有挥发性物质中所包含的全部碳(参见以下定义)。

术语“碳转化”表示将燃料进料中的固体碳转化为含碳的气体例如CO、CO₂。

在多燃料加工系统或子系统的上下文中的术语“共燃比率”表示一种或多种燃料(但是少于所有燃料)的输入参数总和与多燃料加工系统中所有燃料的输入参数总和之比，其中所述多燃料加工系统例如但不限于共气化系统、或共燃燃烧系统。本文中术语燃料的“输入参数”可以表示燃料的重量，燃料每单位时间的重量，燃料的热值(也称为“热量基础”或“能量基础”)，或燃料每单位时间的热值。例如，在加工量为F1、F2、F3、F4的四种不同燃料的多燃料系统中，燃料F1的共燃比率如下给出：

(共燃比率)_F1=(F1)/(F1+F2+F3+F4)

燃料F1、F2的组合(例如其中F1、F2可以是相同或不同种类的加工的燃料，F3、F4可以是相同或不同种类的煤)的共燃比率如下给出：

(共燃比率)_F1+F2=(F1+F2)/(F1+F2+F3+F4)

术语“商业废物”表示由商店、办公室、饭店、货栈、和其它非制造非加工行为产生的固体废物。商业废物不包括家庭、加工、工业或特殊废物。

术语“加工的燃料(engineered fuel)”是部分或全部源自于住宅和/或商业废物(MSW)的任何燃料，并且可以包含一种或多种化学添加剂。在本发明的一些实施方式中，制得的“加工的燃料”具有特定的化学和物理特征。

术语“化石燃料”是最初通过死亡有机体的分解形成的任何燃料。化石燃料的非限制性实例是煤，石油，和天然气，及其变体。

术语“垃圾”表示易腐烂的固体废物，包括得自食品的处理、储存、出售、准备、烹饪或供应的动物和植物废物。垃圾主要源自家庭厨房，商店，市场，饭店，以及其中储存、准备或供应食品的其它地方。

术语“有害废物”表示表现出有害废物的四种特征之一(反应性，腐蚀性，可燃性，和/或毒性)或者由EPA在40CFR部分262指定特别称为此的固体废物。

术语“热值”定义为当燃料完全燃烧时释放的能量的量。当在燃烧过程中产生的水在参照温度为液态时，热值可以为表示为“高热值，HHV”或“总热值，GCV”，或者当产生的水在参照温度为蒸气时，热值可以表示为“低热值，LHV”或“净热值，NCV”。

术语“高热值”(HHV)表示在燃料燃气燃烧且产物水为液态时释放的热值。在不含水气的基础上，任何燃料的HHV可以使用以下方程计算：

HHV燃料=146.58C+568.78H+29.4S–6.58A51.53(O+N).

其中C、H、S、A、O和N分别为碳含量、氢含量、硫含量、灰分含量、氧含量和氮含量，全部以重量百分比计。

术语“城市固体废物”(MSW)表示在住宅区、商业或工业设施和公共机构产生的固体废物，并且包括所有可加工的废物以及可加工的建筑物和破坏碎片的所有组分，但是不包括有害废物，汽车废料和其它机动车辆废物，传染性废物，石棉废物，污染的土壤和其它吸收介质以及除来自家用炉的灰分之外的灰分。用过的轮胎不包括在MSW的定义内。城市固体废物的组分不受限制地包括塑料，纤维，纸，集材场废物，橡胶，皮制品，木材，以及回收残渣，包含城市固体废物已经用从城市固体废物挑出的多种组分加工之后剩余的可回收物料的不可回收部分的残留组分。

术语“不可加工的废物”(也称为不燃性废物)表示不容易燃烧的废物。不可加工的废物包括但不限于：电池，例如干电池，汞电池和车辆电池，冰箱，炉，冷藏机，洗涤机，干燥器，弹簧床面，车辆框架部件，曲柄轴箱，传动装置，发动机，割草机，吹雪机，自行车，文件柜，空气调节装置，热水加热器；储水罐，水软化器，炉子，储油罐，金属家具，丙烷罐，和集材场废物。

术语“加工的MSW废物流”表示MSW已经在例如物料回收设备(MRF)通过根据MSW组分的类型分类加工。MSW组分的类型包括但不限于，塑料，纤维，纸，集材场废物，橡胶，皮制品，木材，以及回收残渣，包含城市固体废物已经用从城市固体废物挑出的多种组分加工之后剩余的可回收物料的不可回收部分的残留组分。加工的MSW基本上不包含玻璃，金属，粗砂，或不燃物。粗砂包括泥土，灰尘，粒状废物例如沙子，由此加工的MSW基本上不包含沙子。

术语“可加工的废物”表示容易燃烧的废物。可加工的废物包括但不限于，仅源自住宅、商业和机关的报纸、邮寄宣传品、皱纸板、办公用纸、杂志、书、卡纸、其它纸张、橡胶、纺织品、和皮制品，木材，食品废物，以及MSW流的其它易燃部分。

术语“回收残渣”表示在回收设备已经从在回收角度而言不再包含经济价值的进料废物加工其可回收物之后剩余的残渣。

术语“淤泥”表示从城市、商业、或工业废水处理厂或工艺、自来水处理厂、空气污染控制设备或具有类似特征和效果的任何其它这样的废物产生的任何固体、半固体、或液体。

术语“固体废物”表示具有足够的液体含量以便于自由流动的不期望的或丢弃的固体材料，包括但不限于垃圾，污物，废料，破烂，垃圾，惰性填充物料，和景观垃圾，但是不包括有害废物，生物医学废物，化粪池淤泥，或农业废物，但是不包括用于使土壤肥沃的动物肥料和吸收床或在工业排放物中的固体或溶解的物质。该定义不排除固体废物或废物的组分可以具有价值、可有益地使用、具有其它用途、或可以出售或交换的事实。

术语“吸附剂”表示添加到加工的燃料的物质，它们或用作传统吸附剂且吸收化学或单质副产物，或与化学或单质副产物反应，或在其它的情况下仅简单地作为添加剂来改变加工的燃料特征例如灰分熔解温度和燃烧效力。

术语“挥发性物质”表示燃料的一部分，该部分当在较低温度加热时可以作为易燃和/或不易燃气体或液体从固体燃料中释放。

术语“挥发性有机物质”或VOC表示在标准条件下具有足够高的蒸气压以大量蒸发并进入大气中的有机化学化合物。挥发性物质的非限制性实例包括烷烃，烯烃，醛，酮，芳族物质如苯，和其它轻质烃。

在数值前使用的术语“约”表示该值的±10%的范围，例如，“约50”表示45至55，“约25,000”表示22,500至27,500，等等。此外，短语“小于约”某值或“大于约”某值应该根据本申请提供的术语“约”的定义理解。

术语“NOx”表示氮的氧化物或氮氧化物，例如NO，NO₂等。

术语“SOx”表示硫的氧化物或硫氧化物，例如SO，SO₂，SO₃等。

术语“氧化剂”是指氧化试剂或反应物，包括但不限于空气、氧气、或富氧空气。

燃烧系统

根据本发明特定实施方式的燃烧系统100在图1中示意性说明。系统100配置用于在商业、工业、和/或公司发电厂中将加工的燃料与化石燃料共燃。在一些实施方式中，系统100用于将煤与源自MSW的再造燃料共气化和共燃。系统100包括第一和第二化石燃料源102a，b，第一和第二加工的燃料源106a，b，第一和第二燃料处理装置108a，b，和燃烧器111。应该知道，提及的特征102a-b和106a-b可以表示燃料本身，和/或相应的燃料源。

化石燃料源102a，b配置以分别向处理装置108a，b提供化石燃料。来源102a，b可以是相同的来源，并且可以提供含量、组成、形式、和/或重量相同或不同的化石燃料。在一些实施方式中，来源102a，b之一可以是任选的。在一些实施方式中，化石燃料是适于在烧煤发电厂燃烧的煤或煤共混物，并且可以包括无烟煤、褐煤、烟煤、及其组合。来源102a，b也可以包括产烟煤所必需的上游设备。例如，来源102a，b可以包括以下的一种或多种：挖掘、运输、储存、和加工设备，例如煤的研磨机，破碎机，粉碎机，及其组合，正如本领域已知。化石燃料源102a，b各自以适于递送化石燃料的任何适当方式连接于其各自的处理装置110a，b。

加工的燃料源104a，b配置以分别向处理装置108a，b提供加工的燃料。在一些实施方式中，加工的燃料包括MSW，来源104a，b可以包括加工的燃料产生(例如制备加工的燃料的增密粒料)和/或加工(例如粉化增密的加工的燃料粒料)所必需的上游设备。例如，来源104a，b可以包括一种或多种工艺，例如物料分类和分离，切碎，制粒，增密和粉化。在一些实施方式中，加工的燃料104a，b中的至少一种包括MSW和一种或多种吸附剂。在一些实施方式中，在每种加工的燃料中的吸附剂独立地选自倍半碳酸钠(Trona)，碳酸氢钠，碳酸钠，铁酸锌，铁酸锌铜，钛酸锌，铜铁铝氧体，铝酸铜，氧化铜锰，担载在氧化铝上的镍，氧化锌，氧化铁，铜，氧化亚铜(I)，氧化铜(II)，石灰石，石灰，Fe，FeO，Fe₂O₃，Fe₃O₄，铁屑，CaCO₃，Ca(OH)₂，CaCO₃·MgO，CaMg₂(CH₃COO)₆，二氧化硅，氧化铝，陶土，高岭石，矾土，酸性白土，绿坡缕石，煤灰，蛋壳，Ca-蒙脱土和有机盐(例如乙酸钙镁(CMA)，乙酸钙(CA)，甲酸钙(CF)，苯甲酸钙(CB)，丙酸钙(CP)和乙酸镁(MA)。在一些实施方式中，将含吸附剂的加工的燃料在超过其中包含的至少一种吸附剂的烧结温度的温度共气化或共燃，并将吸附剂与加工的燃料混合，防止吸附剂在这样的条件下烧结。

在一些实施方式中，当燃烧和/或与煤共燃时，加工的燃料104a，b产生较少的一种或多种污染物或不期望的燃烧副产物。因此，在一些实施方式中，加工的燃料104a，b产生较少的硫排放量，以及产生较少的重金属排放量，与煤燃烧时的重金属排放量的已知水平相比。在一些实施方式中，加工的燃料104a，b产生较少的颗粒物质(PM)排放量，与煤燃烧时释放的颗粒物质的已知水平相比。

在一些实施方式中，加工的燃料104a，b产生较少的NOx排放量，与煤燃烧时释放的NOx的已知水平相比。在一些实施方式中，加工的燃料104a，b产生较少的CO排放量，与煤燃烧时释放的CO的已知水平相比。在一些实施方式中，加工的燃料104a，b产生较少的CO₂排放量，与煤燃烧时释放的CO₂的已知水平相比。在一些实施方式中，加工的燃料104a，b产生较少的挥发性有机化合物(VOC)排放量，与煤燃烧时释放的VOC的已知水平相比。在一些实施方式中，加工的燃料104a，b产生较少的卤素气体排放量，与煤燃烧时释放的卤素气体的已知水平相比。在一些实施方式中，加工的燃料104a，b产生较少的温室气体(GHG)排放量，与煤燃烧时释放的GHG的已知水平相比。

加工的燃料源104a，b各自以适于递送加工的燃料的任何适当方式连接于其各自的处理装置108a，b。加工的燃料源104a，b可以是相同的来源，并且可以提供含量、组成、形式、和/或重量相同或不同的加工的燃料。在一些实施方式中，加工的燃料源104a，b之一是任选的。在一些实施方式中，来自来源104a，b的加工的燃料至少在吸附剂含量、组成、形式、和/或重量方面不同，使得使第一加工的燃料优化用于在还原环境中燃烧104a，而针对在总体氧化环境(即还原环境或区域可以局部或区域性地存在于氧化环境内)中燃烧优化第二加工的燃料104b。在图1说明的实施方式中，处理装置108a配置以按任何适当的方式接收第一化石燃料102a和第一加工的燃料104a，处理装置108b配置以按任何适当的方式接收第二化石燃料102b和第二加工的燃料104b。各处理装置108a，b可操作用于处理第一化石燃料102a和第一加工的燃料104a，并且可以独立地包括以下中的一种或多种的设备和功能(但不限于此)：研磨设备，共研磨设备，共混设备，气泵设备，共燃设备(例如，气化器，燃烧器，和锅炉)，和子系统，其组合。适宜的燃烧设备包括固定床燃烧器，流化床燃烧器，和粉化燃料燃烧器。适宜的气化设备包括固定床气化器例如上抽式(逆流)气化器和下吸式(同流)气化器，气流床气化器，流化床气化器，内部或外部循环的流化床气化器，和其它类型的气化器例如螺旋驱动气化器。在一些实施方式中，至少一个处理装置108a，b包括共燃装置。在一些实施方式中，共燃装置选自：气化器，燃烧器，和锅炉。在一些实施方式中，共燃装置是燃烧器或锅炉，燃烧器或锅炉包括在还原环境中操作的床区域。在一些实施方式中，共燃装置可以是具有还原环境的气化器。在一些实施方式中，共燃装置可以是可具有总体氧化环境的燃烧器或锅炉，并且包括还原区域，例如流化床燃烧器或供燃料锅炉(stoke boiler)，它们具有提供还原环境的床区域。各处理装置108a，b以任何适当的方式独立地连接于燃烧器112，这取决于处理装置的操作和输出(稍后讨论)。应该理解，另外的处理装置、化石燃料源、和加工的燃料源(未显示)在本发明的范围内，并且可以按适当的方式相互连接，这取决于燃烧器112的构造和操作。

在一些实施方式中，第一处理装置108a接收在第一加工的燃料的第一共燃比率的第一化石燃料102a和第一加工的燃料104a，并加工基本上全部接收的燃料102a，104a。在一些实施方式中，第一处理装置108a接收比率不同于第一共燃比率的燃料102a，104a，并且可操作以操控接收的燃料102a，104a，由此在处理之前实现第一共燃比率。这样的操控可以包括但不限于，燃料的临时储存，混合/共混，以及加热。在一些实施方式中，燃料源102a，104a，和第一处理装置108a协作以保持第一处理装置108a在第一共燃比率操作。

以类似的方式，第二处理装置108b可操作用于在第二加工的燃料的第二共燃比率用于全部接收的燃料102b，104b，和/或可操作用于操控接收的燃料以在处理之前实现第二共燃比率。在一些实施方式中，燃料源102b，104b，和第二处理装置108b协作以保持第二处理装置108b在第二共燃比率操作。

燃烧系统100的加工的燃料的总的共燃比率可以基于总的加工的燃料104a，b计算，总的化石燃料102a，b分别在第一和第二共燃比率处理处理装置108a，b。换言之，总的共燃比率可指示进料到燃烧系统100中的化石燃料和加工的燃料的相对量，最终由燃烧系统利用以产生电力。在一些实施方式中，总的共燃比率变化，而保持第一共燃比率和第二共燃比率的值固定。在一些实施方式中，如下改变总的共燃比率：改变第一加工的燃料104a、第一化石燃料102a、第二加工的燃料104b、和第二化石燃料102b中至少两种的输入特征，使得第一共燃比率和第二共燃比率基本上不变。在一些实施方式中，燃料的改变的输入特征是以下中的一种或多种：燃料的重量(例如以公吨计)，燃料的供给速率(例如以吨/年计)，和燃料的热值(例如以百万英热单位，或MMBtu计)。在一些实施方式中，化石燃料源102a-b、加工的燃料源104a-b、和处理装置108a-b中的两种或更多种协作以改变共燃比率，使得第一共燃比率和第二共燃比率基本上不变。

在一些实施方式中，加工的燃料的第一和第二共燃比率独立地为约0%，约5%，约6%，约7%，约8%，约9%，约10%，约11%，约12%，约13%，约14%，约15%，约16%，约17%，约18%，约19%，约20%，约25%，约30%，约31%，约32%，约33%，约34%，约35%，约36%，约37%，约38%，约39%，约40%，约41%，约42%，约43%，约44%，约45%，约46%，约47%，约48%，约49%，约50%，约51%，约52%，约53%，约54%，约55%，约56%，约57%，约58%，约58%，约60%，约61%，约62%，约63%，约64%，约65%，约66%，约67%，约68%，约69%，约70%，约75%，约80%，约85%，约90%，约95%，或约100%。在一些实施方式中，燃烧系统100可操作以达到下述的加工的燃料的总的共燃比率：约0%，约5%，约10%，约15%，约20%，约21%，约22%，约23%，约24%,约25%，约26%，约27%，约28%，约29%,约30%，约35%，约40%，约45%，约50%，约55%，约60%，约65%，约70%，约75%，约80%，约85%，约90%，约95%，或约100%，以及其间的所有范围和子范围。除非另有指出，否则共燃比率是指加工的燃料与总燃料的比率(即加工的燃料和化石燃料)。

在一些实施方式中，第一处理装置108a可按共燃模式操作，其中处理装置分别地研磨第一化石燃料102a和第一加工的燃料104a，然后经例如适当的管道分别运送每种燃料到燃烧器112的不同进出口。图2A说明共燃方法的非限制性实例，其中第一处理装置208a包括煤粉碎机214，其将加工的燃料204a和煤202a的组合流运送至燃烧器212的输入口或管口218a。第一处理装置208a也包括压缩机216a，b用于将运输组合燃料流的载气供入至燃烧器212。在一些实施方式中，例如在商业锅炉构造中，压缩机216a，b可以是带有分流器的单个普通间接通气风扇(indirect draft fan)(ID风扇)，该分流器可将载气分流至不同的燃料运送线，并分成为燃烧器212，例如管口218a的主空气流和辅空气流。

在一些实施方式中，第一处理装置108a可按共燃模式操作，其中处理装置将第一化石燃料102a和第一加工的燃料104a共研磨以组合运送至燃烧器112。图2B说明共燃方法的非限制性实例，其中第一处理装置208a包括煤粉碎机214，该煤粉碎机214将煤202a运送至燃烧器212的管口218b，并且也在未实质上加工的情况下将加工的燃料204a运送至管口218a。第一处理装置208a也包括压缩机216a-d，其将运输燃料202a，204a的载气供入至燃烧器212。如以上图2A所讨论，在一些实施方式中，压缩机216a-d可以是带有分流器的单个普通ID风扇，该分流器可将载气分流至不同的燃料运送线并进入管口218a，b。

图2C说明可应用于图2A-B中说明的任一实施方式的第一处理装置208a的燃料进料系统的另一种非限制性实施方式。将加工的燃料204a以粒状或粉碎形式运送至处理装置208a，并储存在第一处理装置的燃料存储器(fuel banker)220中。传送器224在通过抽气将加工的燃料204a进料到煤粉碎机214的鹅颈式部分(gooseneck section)232之前将加工的燃料204a运输至质量流量计228。在一些实施方式中，煤粉碎机214仅以空气流(没有煤)操作，而在其它实施方式中煤粉碎机接收最少的煤进料(例如研磨机容量的20%)。

在一些实施方式中，加工的燃料可以按增密形式运送，并将其进料到煤进料管。再在其它实施方式中，可以将粒状或粉碎的加工的燃料进料到研磨机的排气侧。在一些实施方式中，以上加工的燃料进料应用于现有煤研磨机之一，而在其它实施方式中加工的燃料进料执行于每个研磨机；每个研磨机可以具有相同或不同的共燃比率。

在一些实施方式中，第一处理装置108a可操作用于将第一燃料102a和第一加工的燃料104b共气化以产生用于运送至燃烧器112的合成气。尽管已关于第一处理装置108a描述，但是应该理解这些操作中的一些或全部可以另外地或可替换地由第二处理装置108b进行。在一些实施方式中，第一处理装置108a将用于单独运送至燃烧器112的第一化石燃料102a和第一加工的燃料104a单独研磨或共研磨，而第二处理装置108b包括气化器，该气化器将第二化石燃料102b和第二加工的燃料104b共气化从而制得用于运送至燃烧器112的合成气。

燃烧器或燃烧反应器112可操作用于燃烧接收来自处理装置108a，b的一种或多种燃料，但是其他来源的燃料和各种燃烧组分例如空气、干燥吸附剂等也在本发明的范围内。燃烧器112可以按本领域已知的任何适当方式设计，包括固定床燃烧器，鼓泡式、湍流式或循环式流化床燃烧器，和粉化燃料燃烧器。燃烧器112可以包括主燃烧区域，过度燃烧区域，再烧区域，和对流区域。在一些实施方式中，燃烧器112是熔炉，使产生的热量穿过单独的发生器(未显示)用于热量回收和蒸气产生。在一些实施方式中，燃烧器112是锅炉并产生供给蒸气涡轮动力的蒸气，从而产生电力。

在一些实施方式中，燃烧器112从处理装置108a，b中的一种或多种接收化石燃料和加工的燃料，并可操作用于在主燃烧区域中使接收的燃料共燃。在一些实施方式中，燃烧器112从处理装置108a，b中的一种或多种接收化石燃料、加工的燃料和合成气，并可操作用于在主燃烧区域中使接收的燃料共燃，并进一步可操作用于在再烧区域中使接收的合成气燃烧。

本发明的实施方式提供共燃方法，其能够减少来自烧制加工的燃料(例如源自MSW)和化石燃料如煤的空气排放量，从而消除或显著降低对常规和昂贵的烟道气处理技术例如FGD和SCR的需要。

本发明的实施方式提供燃烧系统100的共燃方法，其中燃烧系统100的总的共燃比率可以在宽范围内变化而不会对各系统组分的操作具有影响，或具有可接受的最小限度影响。换言之，本发明可操作而在宽范围内改变燃烧系统100的总的共燃比率，而处理装置108a，b仍然能够在恒定且最佳的第一和第二共燃比率操作，而不管总的共燃比率是多少。在一些实施方式中，系统100的总的共燃比率可以变化以满足在源于生物的来源(例如源自生物质的加工的燃料)的燃烧与不是源于生物的化石燃料的燃烧的CO₂排放量之间具有区别的规章和/或会计标准(例如由EPA规定)。

本发明的实施方式提供共燃方法，其补充支持(leverages)和受益于不同来源和特征的燃料之间的相互作用。根据本发明的实施方式，将少量加工的燃料(特别是为适用于强氧化燃烧条件而配制和制备的那些)与煤直接在现有的烧煤锅炉中共燃。所得的共燃比率足够低(例如≤5-10%)以确保安全和顺利的共燃操作，但是足以使加工的燃料也可用作减排试剂载体。以这种方式，加工的燃料完成多种功能，即，可再生燃料价值，由于高挥发物含量可作煤燃烧促进剂(其允许烧煤锅炉降低其温度，而又不会降低碳转化，同时降低NOx的生产)，空气排放和系统腐蚀控制试剂或添加剂载体。因为共燃比率可非常低，可有效地减小与燃料品质和供给的变化有关的风险。

根据本发明的实施方式，为共燃装置例如气化器、燃烧器或锅炉的处理装置将煤和加工的燃料混合物在相对高但最佳确定的恒定共燃比率(即加工的燃料的50-70%)操作。通过在该共燃装置中共燃或共气化加工的燃料和煤，显著减轻了通常与基于生物质的加工的燃料有关的问题。由于它们的特别性质，生物质灰分可以包含大量的碱，特别是NaCl和KCl，这是有问题的，由于它们的低熔融温度，会形成腐蚀性沉积物，并与铁反应以释放单质氯(Cl₂)。煤灰具有显著不同于生物质灰分的特性，通常包含高熔融温度和稳定的硅酸铝。煤灰可以保留从生物质灰分释放的单质以形成热稳定的化合物，因此会减轻当单独烧制生物质时遇到的问题。

本发明的实施方式提供共燃方法，其中加工的燃料特别针对在还原环境中应用而优化(即不含或缺乏氧气)，另一种加工的燃料特别针对在氧化环境中应用而优化，将这两种加工的燃料分别与煤在还原环境(例如当处理装置108a，b之一包括气化器时)和氧化环境(例如燃烧器112)中共燃。两种特性截然不同的加工的燃料可以具有最好地适于它们的特定目标应用的物理和/或化学特征。

根据本发明的一方面，特别针对还原环境例如在气化过程中优化的加工的燃料(例如加工的燃料104b)可以具有较高的燃料氮，以便于制备较多的氨，然后氨之后在燃烧器中用作NOx还原剂。该“适于还原环境的加工的燃料”也可以具有较高的湿度以便于制备较多的甲烷，较多的甲烷将会增加合成气热值从而有益于燃烧器112中的下游燃烧性能。适于还原环境的加工的燃料可以包含不同种类和含量的所选吸附剂以实现与在还原环境中制得的排放化合物的最好的反应性(例如燃料硫转化为H₂S而非氧化条件下的SO₂，燃料氮转化为NH₃而非氧化条件下的NOx)。适于还原环境的加工的燃料也可以包含添加剂以改善其灰分特征例如熔解温度，以及包含添加剂以促进焦油的催化裂解。因为气化通常在较低温度操作，特别是当与加工的燃料共气化时，因此可以极大地改善空气排放控制吸附剂的选择，吸附剂效率和热稳定性。而且，气化比燃烧产生较低含量的烟道气，可以实现有效的灰分移除，因此降低PM排放量。

根据本发明的实施方式，特别是针对燃烧优化的加工的燃料(例如加工的燃料104a)可以包含低的燃料氮和/或较低的湿度以便于降低NOx的产生，并增加燃烧效率。除了针对SO₂、SO₃和HCl减排选择的试剂之外，“适于氧化环境的加工的燃料”也可以包含试剂以制备NOx还原剂或促进NOx热还原。在一些实施方式中，相同的吸附剂和添加剂用于适于还原环境的加工的燃料和适于氧化环境的加工的燃料两者，这些吸附剂或添加剂各自的用量或含量可以针对各加工的燃料独立地变化以便于最好和最大限度地利用这些吸附剂和添加剂。

在一些实施方式中，本发明提供共燃方法，该方法可达到通常等级较低的基于生物质的加工的燃料的最大可能的能量转化效率。胜于在传统燃烧器(通过蒸汽涡轮的典型发电效率为约20%)中简单地燃烧低等级基于生物质或废物的燃料，本发明的一些实施方式得到的发电效率为约30%，为约31%，为约32%，为约33%，为约34%，为约35%，或接近于约40%，以及其间的所有范围和子范围。在一些实施方式中，锅炉是超临界锅炉/蒸汽发生器，所达到的发电效率接近于约40%。根据本发明的一些实施方式，在共气化和共燃过程中移除氯和硫化合物会显著降低与(通常为低等级和高氯含量)含生物质的加工的燃料有关的炉边腐蚀的风险，因此允许蒸汽锅炉在与烧煤锅炉相同的蒸气条件操作，烧煤锅炉的典型的耗热率为10MMBtu/MWh(或34%效率)。

图3说明本发明的示例性实施方式。燃烧系统300包括煤源302a-b，加工的燃料源304a-b，处理装置308a-b，和燃烧器(锅炉)312。除非另有说明，否则应该理解，图3中说明的各种组分充分地对应于图1中类似命名和标号的组件。例如，煤源302a-b对应于煤源102a-b，以此类推。

处理装置308b包括气化器324，该气化器324将适于还原环境的加工的燃料304b与煤302a在第二共燃比率共气化，而不管系统300的总的共燃比率。第二共燃比率(在该情况下也称为共气化比率)可以低于约70%，低于约60%，低于约50%，低于约45%，低于约40%，低于约35%，或低于约30%。气化器324具有可靠的操作特征，例如优越的材料处理和加工能力。示例性的气化器包括螺旋驱动、水平安装的气化器，例如由Wichita，Kansas的ICM inc.开发的该种气化器。适于还原环境的加工的燃料304b可以处于松散或密集形式，并在将其进料到气化器324之前通过处理装置308b的共混机320将其与煤302b预混合。在一些实施方式中，可以将煤302b和适于还原环境的加工的燃料304b单独地进料到气化器。在经历了本领域已知的气化的不同步骤(包括干燥、脱挥发分、和灰化氧化)之后，制得主要包括氢气和一氧化碳的合成气。在一些实施方式中，适于还原环境的加工的燃料304b包含适当的吸附剂，其含量足以与共气化的加工的燃料和煤302b两者中都包含的硫和氯原位反应。以这种方式，产物合成气基本上不含H2S和HCl，由此可以基本上消除与硫和氯有关的问题，例如排放、腐蚀和沉积。在如果必要移除了灰尘(未显示)之后的合成气被送至锅炉312，其中至少一部分的合成气可以用作NOx再烧燃料。除了合成气之外，可以在预定的第一共燃比率通过处理装置308a向锅炉312提供加工的燃料304a和煤302a。第一共燃比率的热值小于约5%，小于约8%，小于约10%，或小于约15%。以这种方式，可以将燃料302a，304a预混合和共研磨(例如通过处理装置308a的研磨设备314)并在锅炉312中燃烧。在一些实施方式中，可以将加工的燃料304a单独地研磨(例如通过处理装置308a的研磨设备318)，然后将其与有待于在锅炉312中燃烧的煤302a混合。

在本发明的一些实施方式中，如图3说明，燃烧器配置成为通用锅炉312。在一些实施方式中，公开的方法也可以应用于其它共燃应用，例如钙煅烧和水泥生产窑中的煤燃烧器，工艺的蒸气发生器(工业锅炉)或区域加热或冷却。

在一些实施方式中，气化器324可以是空气鼓风装置。在一些实施方式中，气化器可以用氧气和/或蒸气操作。在一些实施方式中，如图4中最好地说明，气化器324可以配置以包括连续的高温分解区域324a、气化区域324b和燃烧区域324c。在这些实施方式中，可以将空气和/或蒸气以速率、温度等不同的条件供入至不同的区域(参见图4中的氧化剂流328a、328b、和328c)。

以下实施例说明本发明的实施方式，不应该认为它们会将本公开的范围和精神限制于本申请描述的具体过程。应该理解，不意图对本申请的范围产生限制。还应该理解，本发明可以有各种其它实施方式、修改和等价物，这可以在不背离本公开的精神和/或所附权利要求的范围的情况下使本领域技术人员明白它们。

实施例

参考实施例1

计算机过程模似使用Aspen Plus V7.2过程模似包进行。使用具有列于表1的特征的煤(db：干燥基础；ar：原样接受基础)。加工的燃料可以基于典型的废物残留组合物在高级多材料加工平台(MMPP)设施或传统材料回收设施(MRF)中配制。残留组分基于它们相对于以下的重量组成：纸、杂志、新闻用纸、纸板、纺织品、塑料、木制生物质、庭院修剪物(yardtrimmings)和食品废料等。在化学分析之前，将加工的燃料制粒。分析结果列于表1(‘EF’栏)。在以下的所有实施例中，煤和EF进料速率基于以下确定：假定的400MW发电厂，其平均耗热率为9.478MMBtu/MWh，总的热量输入速率为7,582,400MMBtu/hr。在所有的模拟中，烟道气循环技术用于将烟道气温度控制恒定在1,750°F。在使用气化器的情况下，调节空气当量比以便于将合成气温度保持恒定在1,400°F。气化和燃烧过程都基于吉布斯自由能最小化方法模拟。提供的所有的空气排放污染物(NOx，SO₂，SO₃，HCl，Cl₂)对应于在烟道气中7%的O₂。

表1：燃料特征

实施例1

该实施例确定了基准情况，其中在锅炉中燃烧100%的煤。煤进料速率为296,475lbs/hr。该模拟提供了以下结果(表2)，其中所有的浓度值对应于在烟道气中7%的O₂。Cl₂以ppb给出。

表2

污染物	在烟道气中的浓度，ppm	排放率，lbs/MMBtu
			NOx	158	0.205
SO₂	1,037	2.850
			SO₃	54	0.186
HCl	49	0.077
			Cl₂	1.2	3.51E-06

模拟结果证明了：

·NOx潜在排放水平高，因此要求在实际应用中安装NOx排放控制技术。

·SO₂和HCl水平显著高于空气洁净条例中设定的排放界限(Standards ofPerformance for Large Municipal Waste Combustors，其构造于1994年9月20日开始，或者其改进或重构于1996年6月19日开始)-(SO₂为30ppm，HCl为25ppm，所有都校正至7%的O₂)。因此，需要后燃烟道气处理，即FGD，来满足这样的界限。

·离开锅炉的烟道气中的SO₃为约54ppm，这会引起所有可能与SO₃有关的问题，即，下游设备腐蚀和“蓝翎”叠加。

·估计的烟道气中的Cl₂为1.2ppb(份每十亿份)，这可能促使产生二噁英和呋喃。

这些结果表明，基准情况将产生约2,280,802lbs/hr蒸气(在955F和1,290psia)，或3,310MMbtu/hr，这对应于87.3%的热效率(在理想的绝热条件下)。

实施例2

在该实施例中，将煤与5%加工的燃料(以热基础计)按预混合方式直接共燃。煤进料速率为281,651lbs/hr，加工的燃料进料速率为23,771lbs/hr。加工的燃料包含消除硫和氯的吸附剂，其含量根据来自煤和加工的燃料两者的全部硫和氯计算。因此，烟道气中的SO₂、SO₃、HCl和Cl₂浓度，或潜在排放率显著降低，与以上基准情况(实施例1)相比，如表3所示，其中所有的浓度值对应于在烟道气中7%的O₂，Cl₂以ppb给出。关于NOx，仅减少了2%，可能是因为仅共燃了5%的低燃料氮加工的燃料。由于基本上不含Cl₂，因此通过将加工的燃料与煤共燃也可极大地减少二噁英/呋喃的形成。

包含约5%吸附剂的直接共燃的加工的燃料可以显著减少空气污染物排放量，但是共燃比率受限(即≤5%，以热基础计)。这极大地限制了使用新产生的加工的燃料。

表3

共燃对锅炉效率没有显著的不利影响。估计会产生约2,321,383lbs/hr蒸气(在955F和1,290psia)，或3,369MMbtu/hr蒸气，这对应于88.9%的热效率(在理想的绝热条件下)。

实施例3

在该实施例中，将煤与30%的加工的燃料(以热基础计)间接共燃。将207,533lbs/hr煤供入至燃烧器，其中使用烟道气循环以将烟道气温度控制在1,750°F。将加工的燃料以142,624lbs/hr供入至气化器，其中控制空气当量比以将合成气温度保持在1,400°F。加工的燃料包含消除硫和氯的吸附剂，其含量根据加工的燃料中包含的硫和氯以及根据预定的化学计量比计算。结果列于表4，其中所有的浓度值对应于在烟道气中7%的O₂，Cl₂以ppb给出。

烟道气中的SO₂、SO₃、HCl和Cl₂浓度，或潜在排放率分别减少29.7%、26.6%、42.3%和74.1%，与实施例1的基准情况相比。NOx减少了14.2%，这是由于较高的共燃比率。

表4

模拟表明，共燃对锅炉效率没有显著的不利影响。估计会产生约2,294,632lbs/hr蒸气(在955F和1,290psia)，或3,331MMbtu/hr蒸气，这对应于87.8%的热效率(在理想的绝热条件下)。

与含吸附剂的加工的燃料的间接共燃具有减少空气排放的潜力，但是带来的益处是受限的，因为其不能够有效地控制来自主要燃烧器的空气排放物。

实施例4

在该实施例中，将173,324lbs/煤和14,628lbs/hr适于氧化环境的加工的燃料(EF-O)(即5%的加工的燃料，以热基础计)在主要燃烧器中直接共燃，将34,209lbs/hr煤和127,995lbs/hr适于还原环境的加工的燃料(EF-R)(即70%加工的燃料，以热基础计)在单独的气化器中共气化(参见图4)。这表示总的共燃比率为约30%(以热基础计)。

在使用烟道气循环的情况下将燃烧器的烟道气温度控制在1,750°F，通过控制空气当量将气化器温度控制在1,400°F。加工的燃料EF-O包含最适用于氧化条件的消除硫和氯的吸附剂，其含量根据加工的燃料EF-O和共燃的煤中包含的全部硫和氯以及根据预定的化学计量比计算。加工的燃料EF-R包含最适用于还原条件的消除硫和氯的吸附剂，其含量根据加工的燃料EF-R和共燃的煤中包含的全部硫和氯以及根据另一预定的化学计量比计算。模拟结果列于表5，其中所有的浓度值对应于在烟道气中7%的O₂，Cl₂以ppb给出。

因此，烟道气中的SO₂、SO₃、HCl和Cl₂浓度，或潜在排放率分别减少几乎100%，与基准情况(实施例1)相比。NOx减少约10.5%。

表5

该结果表明共燃对锅炉效率没有显著的不利影响。估计会产生约2,291,724lbs/hr蒸气(在955F和1,290psia)，或3,326MMbtu/hr蒸气，这对应于87.7%的热效率(在理想的绝热条件下)。

实施例5

在该实施例中，将129,993lbs/煤和10,971lbs/hr适于氧化环境的加工的燃料(EF-O)(即5%的加工的燃料，以热基础计)在主要燃烧器中直接共燃，将47,892lbs/hr煤和179,194lbs/hr加工的燃料(EF-R)(即70%的加工的燃料，以热基础计)在单独的气化器中共气化(参见图3-4)。这表示总的共燃比率为40%(以热基础计)，其中第一共燃比率和第二共燃比率与实施例4相比基本上无变化。

在使用烟道气循环的情况下将燃烧器温度控制在1,750°F，通过控制空气当量将气化器温度控制在1,400°F。加工的燃料EF-O包含最适用于氧化条件的消除硫和氯的吸附剂，其含量根据加工的燃料EF-O和共燃的煤中包含的全部硫和氯以及根据预定的化学计量比计算。加工的燃料EF-R包含最适用于还原条件的消除硫和氯的吸附剂，其含量根据加工的燃料EF-R和共燃的煤中包含的全部硫和氯以及根据另一预定的化学计量比计算。模拟结果列于表6，其中所有的浓度值对应于在烟道气中7%的O₂，Cl₂以ppb给出。

因此，烟道气中的SO₂、SO₃、HCl和Cl₂浓度，或潜在排放率分别减少几乎100%，与以上基准情况(实施例1)相比。NOx的减少增至14.4%。

表6

模拟表明，增加共燃比率对锅炉效率具有轻微的影响。估计会产生约2,279,976lbs/hr蒸气(在955F和1,290psia)，或3,308MMbtu/hr蒸气，这对应于87.3%的热效率(在理想的绝热条件下)。

实施例6

在该实施例中，将86,662lbs/煤和7,314lbs/hr适于氧化环境的加工的燃料(EF-O)(即5%的加工的燃料，以热基础计)在主要燃烧器中直接共燃，将61,576lbs/hr煤和230,392lbs/hr适于还原环境的加工的燃料(EF-R)(即70%的加工的燃料，以热基础计)在单独的气化器中共气化(参见图3-4)。这表示总的共燃比率为50%(以热基础计)，其中第一共燃比率和第二共燃比率与实施例4相比基本上无变化。

在使用烟道气循环的情况下将燃烧器温度控制在1,750°F，通过控制空气当量将气化器温度控制在1,400°F。加工的燃料EF-O包含最适用于氧化条件的消除硫和氯的吸附剂，其含量根据加工的燃料EF-O和共燃的煤中包含的全部硫和氯以及根据预定的化学计量比计算。加工的燃料EF-R包含最适用于还原条件的消除硫和氯的吸附剂，其含量根据加工的燃料EF-R和共燃的煤中包含的全部硫和氯以及根据另一预定的化学计量比计算。模拟结果列于表7，其中所有的浓度值对应于在烟道气中7%的O₂，Cl₂以ppb给出。

因此，烟道气中的SO₂、SO₃、HCl和Cl₂浓度，或潜在排放率分别减少几乎100%，与以上基准情况(实施例1)相比。NOx的减少增至17.8%，这是由于高共燃比率。

表7

模拟表明，增加共燃比率对锅炉效率具有轻微的影响。估计可产生约2,267,645lbs/hr蒸气(在955F和1,290psia)，或3,291MMbtu/hr蒸气，这对应于86.8%的热效率(在理想的绝热条件下)。

正如这些实施例表明，本发明的实施方式有效地控制和减少由来自主要燃烧器和辅助气化器或燃烧器两者的加工的燃料和煤两者带来的排放量。控制和减少来自两种共燃燃料和来自两种反应器的排放量可极大地减少空气排放量，设备腐蚀，和不透明度叠加(stack opacity)(或蓝翎)问题。其允许消除或最小化与常规昂贵的烟道气处理技术(例如FGD和SCR)有关的成本，得到显著的环境和经济益处。

为得到这些结果，主要燃烧器或锅炉能在低的可接受的恒定的第一共燃比率操作，辅助装置(气化器或燃烧器)也能够在恒定和可接受的第二共燃比率操作，而不管总的共燃比率是多少，总的共燃比率可以在宽范围内变化，而不会影响主要燃烧器和辅助气化器或燃烧器的操作。本发明的实施方式的优点是不限制燃烧系统的总的共燃比率，同时可控制和减少排放量。

本领域技术人员将会认可或者能够确定，仅使用常规实验即可获得本申请特别描述的特定实施方式的众多等价物。这样的等价物包括在所附权利要求的范围内。

Claims

1.改变燃烧系统的总的共燃比率的一体化方法，包括：

将第一加工的燃料和第一化石燃料以第一共燃比率引入到气化器中；

将第一加工的燃料和第一化石燃料共气化以制备合成气；

将第二加工的燃料和第二化石燃料以第二共燃比率引入到燃烧器中；

将制备的合成气引入到燃烧器中；

将第二加工的燃料、第二化石燃料、和制备的合成气共燃；和

通过改变第一加工的燃料、第一化石燃料、第二加工的燃料、和第二化石燃料中至少两种的输入特征而改变燃烧的总的共燃比率，其中第一共燃比率和第二共燃比率不变。

2.权利要求1的方法，其中改变的输入特征是以下之一：重量，每单位时间的重量，热值，和每单位时间的热值。

3.权利要求1的方法，其中总的共燃比率为10％至50％。

4.权利要求1的方法，其中第二共燃比率为5％至20％。

5.权利要求1的方法，其中第一共燃比率为30％至70％。

6.权利要求1的方法，其中所述化石燃料包括一种或多种煤。

7.权利要求6的方法，其中所述一种或多种煤选自：无烟煤，褐煤，烟煤，及其混合物。

8.权利要求1的方法，其中使第一加工的燃料优化用于在还原环境中燃烧，其中使第二加工的燃料优化用于在氧化环境中燃烧。

9.权利要求1的方法，其中第一加工的燃料和第二加工的燃料中的至少一种包括一种或多种吸附剂。

10.权利要求9的方法，其中所述一种或多种吸附剂选自倍半碳酸钠，碳酸氢钠，碳酸钠，铁酸锌，铁酸锌铜，钛酸锌，铜铁铝氧体，铝酸铜，氧化铜锰，担载在氧化铝上的镍，氧化锌，铜，氧化亚铜(I)，氧化铜(II)，石灰石，石灰，Fe，FeO，Fe₂O₃，Fe₃O₄，CaCO₃，Ca(OH)₂，CaCO₃·MgO，CaMg₂(CH₃COO)₆，二氧化硅，氧化铝，陶土，高岭石，矾土，酸性白土，绿坡缕石，煤灰，蛋壳，Ca-蒙脱土，乙酸钙，甲酸钙，苯甲酸钙，丙酸钙，和乙酸镁，及其混合物。

11.权利要求9的方法，其中第一加工的燃料包括一种或多种吸附剂，其中所述共气化在高于一种或多种吸附剂的烧结温度的温度进行。

12.权利要求1的方法，其中所述共燃步骤包括直接共燃和间接共燃之一。

13.权利要求1的方法，其中所述燃烧器是锅炉，其中共燃包括：

在锅炉的燃烧区域中燃烧第二加工的燃料和第二化石燃料；和

在锅炉的再烧区域燃烧合成气。

14.燃烧系统，包括：

气化器，用于接收在第一共燃比率的第一加工的燃料和第一化石燃料，所述气化器可操作用于将第一加工的燃料和第一化石燃料共气化以制备合成气；

燃烧器，用于接收在第二共燃比率的第二加工的燃料和第二化石燃料，所述燃烧器进一步接收来自所述气化器的所述合成气，所述燃烧器可操作用于共燃第二加工的燃料、第二化石燃料、和制备的合成气；和

其中所述燃烧系统可操作以通过改变第一加工的燃料、第一化石燃料、第二加工的燃料、和第二化石燃料中至少两种的输入特征来改变所述燃烧系统的总的共燃比率，其中第一共燃比率和第二共燃比率未改变。

15.权利要求14的系统，其中改变的输入特征是以下之一：重量，每单位时间的重量，热值，和每单位时间的热值。

16.权利要求14的系统，其中总的共燃比率为10％至50％。

17.权利要求14的系统，其中第二共燃比率为5％至20％。

18.权利要求14的系统，其中第一共燃比率为30％至70％。

19.权利要求14的系统，其中所述化石燃料包括一种或多种煤。

20.权利要求19的系统，其中所述一种或多种煤选自：无烟煤，褐煤，烟煤及其混合物。

21.权利要求14的系统，其中使第一加工的燃料优化用于在还原环境中燃烧，其中使第二加工的燃料优化用于在氧化环境中燃烧。

22.权利要求14的系统，其中第一加工的燃料和第二加工的燃料中的至少一种包括一种或多种吸附剂。

23.权利要求22的系统，其中所述一种或多种吸附剂选自倍半碳酸钠，碳酸氢钠，碳酸钠，铁酸锌，铁酸锌铜，钛酸锌，铜铁铝氧体，铝酸铜，氧化铜锰，担载在氧化铝上的镍，氧化锌，铜，氧化亚铜(I)，氧化铜(II)，石灰石，石灰，Fe，FeO，Fe₂O₃，Fe₃O₄，CaCO₃，Ca(OH)₂，CaCO₃·MgO，CaMg₂(CH₃COO)₆，二氧化硅，氧化铝，陶土，高岭石，矾土，酸性白土，绿坡缕石，煤灰，蛋壳，Ca-蒙脱土，乙酸钙，甲酸钙，苯甲酸钙，丙酸钙，和乙酸镁，及其混合物。

24.权利要求14的系统，其中第一加工的燃料包括一种或多种吸附剂，其中所述气化器在高于一种或多种吸附剂的烧结温度的温度进行共气化。

25.权利要求14的系统，其中所述燃烧器直接或间接共燃。

26.权利要求14的系统，其中所述燃烧器是锅炉，其中所述锅炉可操作用于在锅炉的燃烧区域中燃烧第二加工的燃料和第二化石燃料，其中所述锅炉可进一步操作用于在锅炉的再烧区域燃烧合成气。