CN1030291A - 含碱燃料的燃烧 - Google Patents
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Abstract
一种燃烧含有低熔点碱性组分(如碱金属盐)的
固体燃料,特别是褐煤和盐褐煤的方法。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
料中低熔点的碱性组分反应,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组分(通常为碱金属盐)的矿物燃料,特别是褐煤和盐褐煤。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。
尽管人们知道流化床反应器比通用的锅炉有许多优点,但是在过去,人们认为在流化床反应器中燃烧多种类型的褐煤和盐褐煤是不可行的,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,烧结温度就越低。
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组分的燃料,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组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组分反应,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下列物质的氧化物或在燃料期间可转化成氧化物的氢氧化物,这些物质包括:铝、钙、镁、硅、铁、钛和铝、钙、镁、硅、铁和钛中的两种或多种的混合物。如果使用氧化硅、则需要与金属氧化物一起使用。一般可加足量的金属氧化物以使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,开工之后,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。在开工期间,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组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盐褐煤,或类似的含有低熔点碱性组分(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,固体含碱燃料(如钠含量高的褐煤或盐褐煤)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组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)或氧化硅,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和/或氧化硅的混合物,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把第一空气流和第二空气流加到反应室7′。气源11、12中的至少一种气源是要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(即开工之后),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3,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热回收设备15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盐褐煤。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管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,含有低熔点碱性组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 (21)
1、一种利用带有反应室的循环流化床反应器燃烧含有低熔点碱性组分的固体燃料,产生和回收热能的方法包括如下步骤:
a)将含有低熔点碱性组分的固体燃料和含氧气体送入反应室,以便在流化床中燃烧,含有固体粒子的热废气从反应室排出;
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;
c)将燃料和在燃烧期间能与燃料中的低熔点碱性组分反应生成高熔点碱金属化合物的反应物料送入反应室;和
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低于反应物料与燃料中的碱性组分反应所生成的碱金属化合物的熔点。
2、根据权利要求1的方法,其中反应物料是下列物质的氧化物或在燃烧期间可转化成氧化物的氢氧化物,这些物质包括:铝、钙、镁、硅、铁、钛和铝、钙、镁、硅、铁、钛中的两种或多种的混合物;其中步骤(c)是把呈固体粒子形式的反应物料送入反应室。
3、根据权利要求2的方法,其中反应物料是高岭土。
4、根据权利要求3的方法,其中步骤(d)是冒沧霸诜从κ冶砻婊蚰诓康娜然厥丈璞钢苯哟臃从κ抑谢厥杖饶堋?
5、根据权利要求4的方法,还包括将石灰石与反应物料一起加入反应室来吸收硫的步骤。
6、根据权利要求3的方法,其中燃料中所含的碱性组分包括钠和钾组分;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。
7、根据权利要求2的方法,其中反应物料是金属氧化物或在燃烧期间转化成氧化物的氢氧化物,其中燃料中的碱性组分包含碱金属盐;并且其中实施步骤(c)使金属氧化物的金属与碱金属盐的金属的比例至少约为1.0。
8、根据权利要求7的方法,其中反应物料是高岭土,高岭土是以固体粒子的形式加入,其中碱金属盐包括钠和钾盐,其中实施步骤(c),使Al/(Na+K)的比例至少为1.0。
9、根据权利要求4的方法,其中燃料选自褐煤和盐褐煤。
10、根据权利要求1的方法,其中燃料选自褐煤和盐褐煤,燃料在加入反应室之前先与反应物料和固体粒子混合。
11、根据权利要求1的方法,其中步骤(d)是利用安装在反应室表面或内部的热回收设备直接从反应室回收热能,燃料在加入反应室之前先与反应物料和固体粒子混合。
12、一种开工后操作带有一个反应室的循环流化床反应器的方法包括如下步骤,开工后:
a)将主要含有褐煤和盐褐煤的燃料加入到反应室,同时通入含氧气体,在反应室中形成流化床,燃烧是在流化床中进行,并产生废气;
b)将高岭土加入反应室;
c)从反应室的废气中分离出固体粒子和粉尘,并将它们再循环到反应室;
d)取出并利用反应器的热能;
实施步骤(a)~(d),使循环床层物料中主要含有燃料、高岭土和粉尘,只含有少量砂粒或其它形式床层的组分,并且床层物料和燃料都不发生烧结。
13、根据权利要求12的方法,其中燃料中含有钠和钾盐,其中步骤(b)中加入足够量的高岭土,使Al/(Na+K)的摩尔比至少约为1.0。
14、根据权利要求13的方法,还包括以下步骤:利用安装在反应室表面或内部的热回收表面直接从反应室中取出和回收热量,并控制燃烧温度使反应室各部分温度在约750~950℃之间。
15、一种利用带有反应室的循环流化床反应器,燃烧含有低熔点碱性组分的燃料的方法包括如下步骤:
a)在反应室内形成一个流化床,流化床中包含含氧气体、含有低熔点碱性组分的燃料和固体颗粒,燃烧燃料,产生的废气排出反应室;
b)从废气中分离出固体粒子,并将固体粒子再循环到反应室,成为流化床的一部分;
c)将反应物料加入到反应室,其与燃料中的低熔点碱性组分反应,生成熔化温度高于约950℃的碱金属化合物;和
d)直接从反应室中取出和回收热量,保持反应室中的燃烧,使反应室中最高温度低于约950℃,这就防止了床层物料和燃料的烧结,并防止了流化床反应器的运转部件上积垢的增加。
16、根据权利要求15的方法,还包括以下步骤:在加入反应物料的同时向反应室加入石灰石以吸收硫,其中先将燃料和反应物料混合,再加入到反应室。
17、根据权利要求15的方法,其中反应物料是下列物质的氧化物或在燃烧期间转化成氧化物的氢氧化物,这些物质包括:铝、钙、镁、硅、铁、钛和铝、钙、镁、硅、铁、钛中的两种或多种的混合物;其中步骤(c)中,反应物料是以固体粒子的形式加入到反应室。
18、根据权利要求15的方法,其中反应物料是高岭土,其以固体粒子的形式加入,其中碱金属盐包括钠和钾盐,其中步骤(c)使Al/(Na+K)的比例至少为1.0。
19、一种利用带有反应室的流化床反应器燃烧选自褐煤和盐褐煤的燃料的方法包括如下步骤:
a)形成和保持包括燃料、含氧气体、固体床层粒子的流化床,使燃料燃烧,产生的废气从反应室排出;
b)保持整个反应室内的温度基本上均匀,并保持在约750-950℃;和
c)为了防止床层物料和燃料的烧结和防止流化床反应器中运转部件上积垢的增加,向反应室中加入足够量的选自下列金属的固体粒子金属氧化物或在燃烧期间可转化成氧化物的氢氧化物,这些金属是:铝、钙、镁、硅、铁、钛和铝、钙、镁、硅、铁、钛中的两种或多种的混合物,使加入的金属氧化物与褐煤或盐褐煤反应,防止床层物料和燃料的烧结,也防止了反应器中运转部件上积垢的增加。
20、根据权利要求19的方法,还包括直接从反应室取出和利用热量的步骤。
21、根据权利要求19的方法,其中金属氧化物包括铝的氧化物,燃料含有钠和钾盐,其中步骤(c)使Al/(Na+K)的摩尔比至少约为1.0。
22、根据权利要求20的方法,其中金属氧化物包括铝的氧化物,燃料含有钠和钾盐,其中步骤(c)使Al/(Na+K)的摩尔比至少约为1.0,燃料和金属氧化物在加入反应室之前先混合。
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