CN1015201B - 含碱燃料的燃烧方法 - Google Patents

Abstract

一种燃烧含有低熔点碱性成分(如碱金属盐)的固体燃料，特别是褐煤和含盐的褐煤的方法。将燃料送入循环流化床反应器的反应室，该燃料在送入反应室之前先与反应物料混合，该反应物料在燃烧期间能与燃料中低熔点的碱性成分反应，生成高熔点碱金属化合物。反应室中的温度保持在低于所生成的碱金属化合物的熔点。反应物料包括：氧化硅或下列金属的氧化物或氢氧化物，这些金属包括：铝、钙、镁、铁、钛和其两种或多种这些金属的混合物。特别是当Al／(Na+K)的摩尔比至少为1.0时，高岭土是最有效的。

Description

自然界中存在着丰富的含低熔点碱性成分（通常为碱金属盐）的矿物燃料，特别是褐煤和含盐的褐煤。可是，这样的矿物燃料只有少部分在工业上利用，因为燃烧这种褐煤或其它同类的矿物燃料很难产生能量。在一般情况下，褐煤是在锅炉内的炉篦上燃烧，但这需要很高的燃烧温度，即在1200～1500℃范围内，由于高温就引起燃料烧结。在这样的温度下，硫酸盐和氯化物气化，导致在炉壁和其它表面上凝结，并增加了锅炉传热管上积垢的形成，这就导致管道腐蚀并降低了传热效率。为了解决这个问题，一般情况下，锅炉必须经常地熄火，除去传热管上的积垢，但是这样做是困难的。

美国专利4，465，000号公开了一种提高以高钠褐煤为燃料的旋风燃烧锅炉效率的方法。燃料生成的灰沉积在锅炉内的传热表面上。按照该方法，一些粉末状的石灰石间歇地加入锅炉的炉膛中，且停留一段时间以使石灰石加热到约2000°F至约2700°F，并与沉积于锅炉内的热交换管上的灰反应而在灰上形成层。这样形成的层比未反应沉积物有较高的灰熔化温度，且因生成的复合沉积物更易碎，可用传统的烟垢吹净装置将沉积物除去。

上述专利公开了褐煤在锅炉中的燃烧效率，但没有涉及在循环流化床反应器中使用褐煤为燃料的问题。人们知道流化床反应器比通用的锅炉有许多优点，但过去人们认为在流化床反应器中燃烧多种类型的褐煤和含盐的褐煤是不可行的，这是因为褐煤中的碱会引起床层物料烧结，燃料中碱金属含量越高，烧经温度就越低。

根据本发明，提供一种方法，这种方法能够有效地燃烧含碱性成分的燃料，如褐煤，并能用简单易行的方法回收热能，这是人们长期以来的愿望。根据本发明，这种方法是用循环流化床反应器进行。流 化床反应器一般是在约750～950℃的温度操作。在该温度范围的低限，燃料的燃烧恶化，但在该温度范围的上限，床层物料的烧结危险增加。

根据本发明，在流化床反应器中燃烧含有低熔点碱性成分的固体燃料是可行的，即通过使用一种循环流化床反应器，该反应器的整个反应室温度比较均匀，并通过向反应室中加入一种反应物，在燃烧期间该反应物能与燃料中的低熔点碱性成分反应，生成高熔点碱金属化合物。燃烧期间生成的碱金属化合物具有足够高的熔点，以便反应器能在所需温度（约750～950℃）下操作而不会熔化。用这种方法，就防止了床层物料烧结和燃料烧结，并防止了反应器中运转部件上积垢的增加。

根据本发明，所用的反应物料包括氧化物或在燃烧期间可转化成氧化物的氢氧化物。一般要加足量的金属氧化物的金属与燃料中碱金属盐中的金属的摩尔比至少约为1.0。最好反应物料包含高岭土（粘土），该高岭土包含所有的硅、铝、铁、钛、钙和镁的氧化物，并且该高岭土与燃料和循环的床层物料反应生成高熔化温度的钠化合物。高岭土中的铝与燃料中钠加钾的摩尔比一般至少为1.0。

为了吸收硫，也需要将石灰石与反应物料一起加入。另外，由于燃烧燃料是为了产生有用的热能（热能可转化成蒸汽能，电或其它能），所以需要用安装在反应室中或反应室表面上的热回收装置直接从反应室中回收热能。这种很通用的热回收装置，在过去用褐煤作燃料时，却很少使用，这是因为在热回收装置的表面会形成积垢。但是鉴于按照本发明能使热回收管上形成的积垢减少到最少的程度，所以这种热回收装置可有效地用于反应室中。

根据本发明，启动之后，操作的循环流化床中有细小的砂粒或其 它在流化床中形成床层的物料。在启动期间，只要加入一些砂粒或其它辅助床层物料，在达到稳定状态条件之后，循环床层物料就主要含有褐煤燃料、高岭土和粉尘，这时，床层物料还不会发生烧结。可以通过直接从反应室中取出或回收热量来控制反应器，以使得反应室各部分的温度在约750～950℃，具体地说是使温度低于碱金属化合物的熔化温度，该碱金属化合物是燃烧期间高岭土（或类似物质）与燃料中的碱金属盐反应生成的。

本发明的第一个目的是提供一种简单且有效的燃烧含有低熔点碱性成分的燃料产生和回收热能的方法。本发明的这一目的和其它目的通过阅读本发明的详细说明和所附的权利要求会变得更加清楚。

附图是一种典型的循环流化床反应器的图解说明，用这种循环流化床反应器可实施本发明的方法。

图中所示的循环流化床反应器是一种基本的一般循环反应器，这种反应器至今仍能很好地用来燃烧不同的燃料，并且回收燃料产生的热量。这些燃料包括：煤、油、废料等。虽然这种反应器也可用来燃烧褐煤和含盐的褐煤，或类似的含有低熔点碱性成分（如碱金属盐）的燃料，但这种燃料的燃烧结果不如其它的燃料。反应器中仍有床层物料烧结、燃料烧结、热回收管上所形成的积垢增加这些特有的问题，这使得这种燃料不适用。

图中的反应器包括漏斗1，含碱固体燃料（如钠含量高的褐煤或含盐的褐煤）由漏斗1提供。由漏斗1加入的燃料以控制的比率由螺旋进料机2进入混合室3。按照本发明，与燃料中低熔点碱性成分反应生成高熔点的碱金属化合物的反应物料以控制的比率由漏斗4通过螺旋进料机5进入混合室3。石灰石也可加入到混合室3中，如图中标记号5′所示，其吸收反应室中的硫。

反应物料最好以粉粹固体粒子的形式加入，并且要求反应物料至 少含有一种下列金属的氧化物（或燃烧过程中可转变成氧化物的氢氧化物），这些金属包括铝、钙、镁、铁或钛。最好反应物料是几种这样的金属氧化物的混合物，一种特别好的反应物料是高岭土（粘土），该高岭土含有有效比例的氧化硅和氧化铝，并且还含有氧化钙、氧化镁、氧化铁和氧化钛。

从常规的循环流化床反应器7的旋风分离器6分离出来的固体粒子也加入到混合室3中。燃料的燃烧是在反应器7的反应室7′中进行，并产生废气，其通过废气管8排出反应室7′。

固体颗粒燃料、反应物料、石灰石和微粒的混合物通过管道9进入反应室7′的下部。用鼓风机10或其它类似设备产生空气流，以便分别通过管道11、12把一次空气和二次空气加到反应室7′。管道11、12中至少有一管道供给可与燃料反应的含氧气体。该气体流化固体物料床层，大量的物料从反应室7′通过旋风分离器6再回到管道9连续地循环。这样，未反应的反应物料（如高岭土）被回收，使得反应物料用量最小。

在反应器7开始运转期间，将砂粒或类似的惰性床层物料加入反应室7中。可是一旦达到稳定状态（即启动之后），就不再加入床层物料，而宁可在稳定状态期间，循环床层主要含有固体燃料粒子、高岭土和粉尘。

废气流过旋风分离器之后，通到烟道气过滤器13，在此，粉尘从气体中分离出来。这些粉尘可以清除掉和/或至少部分粉尘通过管道14再循环到混合室3中。鼓风机提供空气将粉尘输送到混合室3。

由于燃烧褐煤的目的是要回收热能（该热能最终可转化成蒸汽能或电），所以应安装一些传热表面15，这些传热表面15安装在反 应室7′的壁16内或反应室7′内。最好也利用通用的对流锅炉17回收烟道气中的热量，对流锅炉17安装在旋风分离器6和过滤器13之间。

在循环床反应器7中，维持大流量的循环物流，其使得整个反应室7′内的温度基本上是均匀的，并且有利于保证反应器7在其最高温度低于碱金属化合物熔点下操作，该碱金属化合物是燃烧期间反应物与燃料中碱性组分反应生成的。一般，反应器是在约750～950℃温度下操作，最好是在约865℃下操作。烟道气中未燃烧的燃料以及未反应的反应物料（如高岭土）通过旋风分离器6得到有效的回收，并通过混合室3和管道9再循环。

根据燃料和反应物料的循环量来控制螺旋进料机2和5，并控制反应室7′内的温度。另外，控制燃料中反应物料的比例，使金属氧化物的金属与碱金属盐的金属（如Na和K）的比例至少约为1.0。也可通过控制加入反应室7′的含氧气体的量和流经装有传热表面15的热回设备的热回收物流的流量以及其它参数，使反应室7′内的温度控制在需要的温度下。

实施例

在小型试验厂的循环流化床反应器（如图所示）中进行试验，在高岭土存在下燃烧含盐的褐煤。分析燃料和反应物料的典型样品。得到分析结果如下：

煤的分析结果

干燥固体颗粒

含量    灰分    C    S    Na    K    Cl    Ca    Mg

（干燥固体颗粒）    （均为在干燥固体颗粒中的含量）

%    %    %    %    %    %    %    %    %

3.2    15.8    61.9    3.7    2.60    0.07    2.71    1.62    0.20

高岭土的分析结果

SiO₂48.7%

Al₂O₃36.0%

Fe₂O₃0.8%

TiO₂0.05%

CaO    0.06%

MgO    0.25%

K₂O 2.12%

Na₂O 0.10%

将砂粒装入反应器作为起始物料，但在反应器运转期间，循环床主要含有褐煤、高岭土和粉尘。改变燃料和添加物的质量流率和Al/（Na+K）的比例，使反应器7内的温度保持在约865℃，并使整个反应室7′内的温度基本上均匀。反应室用安装在反应室内的传热表面15冷却。

当Al/（Na+K）的摩尔比为1.0或更高时，床层物料没有发生烧结，热回收装置表面上也没有烧结。

由此可见，根据本发明，含有低熔点碱性成分的燃料能够在该流化床反应器中有效地燃烧，产生热能和回收热能，而不发生床层物料的烧结、燃料的烧结，在反应器的运转部件（特别是传热表面）上形成的积垢也没有增加。虽然在此已说明和描述了本发明，并且认为本发明是目前最实用的和最好的实施方案，但是对本专业的技术人员来说，显然，可在本发明的范围内做出许多改进，该范围与附加的权利 要求中最主要的描述是一致的，这使得该范围包括了所有等效的方法和过程。

Claims (3)

1、一种燃烧选自褐煤或含盐的褐煤固体燃料，产生和回收热能的方法，该方法包括：

将含有低熔点碱性成分的固体燃料和含氧气体送入反应器的反应室进行燃烧，并将热废气从反应室排出；

用安装在反应室表面或内部的热回收表面直接从反应室取出或回收热能，

该方法的特征在于：

a)将固体燃料送入循环流化床反应器，并将含有大量固体粒子的废气从反应室排出；

b)从反应室排出的废气中分离出的固体粒子再循环回到反应室，成为流化床的一部份；

c)将高岭土和在燃烧期间能与燃料中的低熔点碱性成分反应生成具有熔点约950℃的碱金属化合物的反应物料送入反应室；

d)控制加入反应室的氧和燃料的量，和/或其它影响燃烧温度的参数，使反应室各部分的温度在750-950℃之间以防止床层物料烧结和燃料烧结，并防止反应器中运转部件上积垢的增加。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于燃料和反应物料在加入反应室之前先混合在一起。

3、根据权利要求1的方法，其特征在于燃料中所含的碱性成分包括钠和钾盐，并且其中加入足够量的高岭土，使Al/（Na+K）的摩尔比至少为1.0，未反应的高岭土粒子在步骤（b）分离出并再循环。