CN107787430B

CN107787430B - 用于操作流化床锅炉的方法

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Publication number: CN107787430B
Application number: CN201680034896.2A
Authority: CN
Inventors: 本特-奥克·安德松; 弗雷德里克·林德; 亨里克·通曼
Original assignee: Improbed AB
Current assignee: Improbed AB
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2016-06-07
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2036-06-07
Also published as: US11047568B2; WO2016202641A1; EP3308077A1; US20180180281A1; CN107787430A

Abstract

本发明涉及一种用于操作流化床锅炉的方法，包括：a)将次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为0.0至0.8的范围内的值；b)用包含钛铁矿颗粒的流化床进行燃料的燃烧；并且涉及流化床锅炉。

Description

用于操作流化床锅炉的方法

技术领域

本发明属于流化床燃烧的技术领域，并且涉及一种操作流化床锅炉的方法和一种流化床锅炉。

背景技术

在流化床燃烧(FBC)中，燃料悬浮在固体颗粒材料(通常为硅砂)的热流化床中。在该技术中，流化气体以特定流化速度通过固体颗粒床料，其通常为硅砂。床料用作热载体以促进快速热传递。在非常低的气体速度下，床保持静止。当流化气体的速度升高到高于流化气体的力平衡作用在颗粒上的重力的最小流化速度时，固体床料在许多方面表现为类似流体，并且床被称为是流化的。在鼓泡流化床(BFB)锅炉中，流化气体通过床料以在床中形成气泡，便于气体通过床料的输送，并且当与炉排燃烧相比时允许更好地控制燃烧条件(更好的温度和混合控制)。在循环流化床CFB锅炉中，流化气体以其中大部分颗粒被流化气体流带走的流化速度通过床料。然后，例如通过旋风分离器将颗粒与气体流分离，并通常通过环封(loop seal)循环回到炉膛中。

通常使用含氧气体(通常为空气或空气和再循环燃料气的混合物)作为流化气体(所谓的初级含氧气体或初级空气)，并从床下方通过床料，从而作为燃烧所需的氧源。

在燃烧器的时间和空间上混合燃料和氧气的能力是达到高燃烧效率和低有害物质排放的最关键参数之一。用于在商业燃烧锅炉中实现充分混合和充分燃料转化的最常见的策略是操作具有用于将含氧气体(所谓的次级含氧气体(secondary oxygen containinggas，二次含氧气体)，通常为空气)注入到炉中的各种进料口的炉。进料口沿着炉分布在策略位置(通常在干舷中)以便于燃料和氧气的混合，导致复杂的锅炉设计。需要进料到炉中的次级含氧气体的量取决于锅炉类型(CFB或BFB)和所用的燃料类型。通常，给定燃料越不均匀和挥发性丰富，需要更多的次级含氧气体。此外，较高的燃料负荷需要较高量的次级含氧气体以实现燃料和氧气的充分混合。在实践中，所需的次级含氧气体的量可能相当高。

实现次级含氧气体进入主气体流中的良好的混合并不简单。在大多数情况下，会发生效应“条纹(streaking)”。条纹现象与炉内的热气体和作为次级含氧气体进料的冷含氧气体(通常为冷空气)之间的均匀混合不良相结合。其自然原因是冷和热气体之间的粘度差以及整个反应器体积中进料空气的几何约束。条纹性能导致氧浓度可能非常高的局部区域。这些区域结合未转化的燃料可导致高温，其在实验期间已被测量可高达350℃以上温度。这些局部高温引起粘附在炉壁和炉下游的传热表面上的复杂的灰组分的熔化，导致结垢、腐蚀问题和升高的维护成本。混合不良一方面导致产生局部热区的富氧条纹，另一方面导致产生CO排放的缺氧条纹，并且在最坏的情况下会导致局部腐蚀。混合不良也是旋风分离器常常充当后燃烧器室的原因，因此具有较高的维护成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作流化床锅炉的方法，其允许燃料和氧气的良好混合并减少上述缺点。

该目的通过独立权利要求的特征来解决。有益的实施方式在从属权利要求中限定。

本发明提供了一种操作流化床锅炉的方法，包括：

a)将次级含氧气体与初级含氧流化气体(primary oxygen containingfluidizing gas)的比例设定为在0.0至0.8范围内的值；

b)用包含钛铁矿颗粒的流化床进行燃料的燃烧。

从现有技术中可以知道在CFB方法中使用钛铁矿作为流化床料(H.Thunman等人，Fuel 113(2013)300-309)。天然存在的矿物钛铁矿主要由铁钛氧化物(FeTiO₃)组成，其可被重复地氧化和还原，从而充当氧化还原材料。由于钛铁矿的这种还原-氧化特征，该材料可以用作氧载体以改善循环流化床(CFB)燃烧中氧气和燃料的混合，并且现有技术已经报道，当床料包含钛铁矿颗粒时，CFB方法可以以较低的空气与燃料比进行。术语空气与燃料比(λ)是本领域中通常理解的并且表示在燃烧单元中相对于燃料供给的空气的量。其被定义为由提供给燃烧炉的氧除以化学计量燃烧所需的氧所确定的比例并且表示为

其中，m_{氧,提供的}是以燃烧空气形式供给到炉中的氧的总质量；并且m_{氧,化学计量}是达到供给到炉中的燃料的化学计量燃烧所需氧的质量。

本发明已经认识到，包含钛铁矿颗粒的流化床提供氧气和燃料的充分混合以进行对次级含氧气体具有减少或甚至去除的需求的燃烧过程。因此，给定燃料的燃烧可以比使用常规床料如硅砂可能的次级含氧气体与初级含氧流化气体的显著更低的比例进行。这进而可以大大减少(并且在没有次级氧气进料的情况下甚至避免)与将次级含氧气体供给到炉相关的缺点。

解决方案是意想不到的，因为达到在现有技术中用钛铁矿作为床料获得的较低的空气与燃料比需要与对于仅硅砂的流化床库存的进料的次级空气与进料的初级空气的相同的恒定比，这表明需要次级与初级空气的基本上相同的分布以开发钛铁矿的载氧能力。相比之下，本发明惊奇地发现，钛铁矿的载氧能力是足够的，特别是即使在炉中的低气态氧含量下，也能够显著地减少或甚至去除进料到炉中的次级含氧气体。

首先，在本发明的上下文中解释了几个术语。

初级含氧气体是用于使锅炉中的床料流化的气体。通常通过床下方的一排喷嘴将初级含氧硫化气体注入炉中。在本发明的上下文中，术语次级含氧气体是指不是初级流化气体的供给到炉中的用于燃料的燃烧的所有含氧气体。通常通过位于整个炉内特别是炉的整个干舷(上部)的喷嘴将次级含氧气体注入到炉中。优选地，初级和/或次级含氧气体可以是空气。

次级含氧气体与初级含氧气体的比例定义为次级含氧气体与初级含氧气体的质量流量的比(通常在工业应用中描述为含氧气体/秒的标准立方米)。在本发明的操作循环流化床锅炉的方法中，将次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.8范围内的值。该范围包括其中将次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为0.0的情况，即，其中没有向炉内供给次级含氧气体的情况。

与使用常规床料(例如，硅砂)相比，本发明允许以明显降低的次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例的范围操作流化床锅炉。在优选的实施方式中，将次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.7范围内的值，优选为在0.0至0.65范围内的值，更优选为在0.0至0.4范围内的值，更优选为在0.0至0.3范围内的值。最优选地，将次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为0。

其它优选的实施方式特征在于以下特征：

-燃料包括生物质并且将次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.7范围内的值，进一步优选为在0.0至0.65的范围内，进一步优选为在0.0至0.5的范围内，进一步优选为在0.0至0.4的范围内，进一步优选为在0.0至0.3的范围内，进一步优选为在0.0至0.2的范围内，进一步优选为在0.0至0.1的范围内；和/或

-燃料包括废弃物并且将次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.65范围内的值，进一步优选为在0.0至0.5的范围内，进一步优选为在0.0至0.4的范围内，进一步优选为在0.0至0.3的范围内，进一步优选为在0.0至0.2的范围内，进一步优选为在0.0至0.1的范围内。

本发明基于由载氧矿物钛铁矿代替部分或全部常规惰性床料。在本发明的上下文中，术语床料描述了意图在系统中产生流化床的材料。术语燃料描述了将在流化床方法中被燃烧的材料，并且包括已知在流化床锅炉中可燃的任何燃料，特别是生物质和废弃物类燃料(例如，市政和工业废弃物)。典型的燃料是木材、农业生物质、污泥和煤。

优选地，钛铁矿颗粒构成床料重量的至少10wt.％，优选为至少20wt.％，更优选为至少30wt.％，更优选为至少40wt.％，更优选为至少50wt.％，更优选为至少60wt.％，更优选为至少75wt.％，更优选为至少80wt.％，更优选为至少85wt.％，更优选为至少90wt.％，更优选为至少95wt.％，最优选为100wt.％。剩余的床料可以是已知适用于流化床锅炉的任何常规床料，优选为硅砂。优选地，钛铁矿颗粒选自包括砂型钛铁矿(sand ilmenite)和岩型钛铁矿(rock ilmenite)的组。

优选地，流化床锅炉是循环流化床(CFB)锅炉或鼓泡流化床锅炉(BFB)。

当流化床锅炉是循环流化床锅炉时，优选的是钛铁矿颗粒的平均粒径为50μm至400μm，更优选为100μm至300μm。在一个特别优选的实施方式中，床由平均粒径为100μm至300μm的钛铁矿颗粒组成。

当流化床锅炉为鼓泡流化床(BFB)锅炉时，优选的是钛铁矿颗粒具有0.1mm至1.8mm的平均粒径。钛铁矿颗粒的平均粒径可以进一步优选为至少0.2mm，更优选为至少0.3mm，最优选为至少0.4mm。优选地，钛铁矿颗粒的平均粒径不大于1.8mm，更优选为不大于1.0mm，最优选为不大于0.6mm。在本发明的上下文中，每个下限可以与每个上限组合以限定平均粒径范围。BFB工艺中的平均钛铁矿粒径的优选范围是0.2-1.8mm，0.3-1.0mm和0.4-0.6mm，其中0.4-0.6mm的范围是特别优选的。优选地，BFB工艺中的钛铁矿颗粒的粒径可以在0.1mm至1.8mm的范围内，更优选在0.3mm至1.0mm的范围内。在本发明的上下文中，可将任何粒径范围与平均粒径的任何范围组合。

在优选的实施方式中，锅炉是鼓泡流化床(BFB)锅炉且

i)钛铁矿颗粒的平均粒径为至少0.2mm，优选为至少0.3mm，最优选为至少0.4mm；并且不大于1.8mm，优选不大于1.0mm，最优选为不大于0.6mm；和/或

ii)钛铁矿颗粒具有在0.1mm至1.8mm的范围内、优选在0.3mm至1.0mm的范围内的粒径。

在本发明的上下文中，可以通过机械筛分来测量粒径(dp)。称量每个筛上捕获的质量，并计算平均粒径(<dp>)作为质量加权平均值。

该方法的优选实施方式包括以将烟道气中的氧浓度保持在高于0.8vol.％的下限值并低于5vol.％的上限值(基于干燥气体)的量将氧供给到炉中。优选的范围还高于1.0vol.％的下限值并且低于4.5vol.％的上限值，进一步优选为高于1.3vol.％的下限值并且低于4.0vol.％的上限值。这些范围低于使用常规床料如硅砂可达到的范围。本发明已经认识到，即使在炉中的少量气体氧下，使用钛铁矿颗粒作为床料提供减少或甚至去除次级含氧气体进料的益处。烟道气中的氧含量取决于供给炉的氧量。本发明已经认识到，通过监测烟道气中的氧浓度并以将烟道气中的氧浓度保持在指定范围内的量向炉内供氧进一步提高了燃烧过程的效率。

在商业燃烧的流化床锅炉中常规地测量烟道气中的氧含量，其中它用于监测燃烧过程。通常，它可以通过例如在节煤器上游的原位定位的λ探针(氧化锆电池)或通过使用顺磁传感器进行测量。

氧浓度的值取决于所使用的燃料的类型。更不均匀的燃料(例如，城市固体废弃物)需要以更均匀的燃料(例如生物质，例如木屑)在烟道气中以较大的氧浓度操作。优选的实施方式特征在于以下特征：

-燃料包括煤并且以将烟道气中的氧浓度保持在高于0.8vol.％的下限值且低于2.5vol.％的上限值，优选高于0.8vol.％的下限值且低于2.0vol.％的上限值，更优选为高于1.3vol.％的下限值且低于1.8vol.％的上限值，更优选为高于1.5vol.％的下限值且低于1.8vol.％的上限值的量将氧供应到炉中；

-燃料包括生物质并且以将烟道气中的氧浓度保持在高于1.0vol.％的下限值且低于3.5vol.％的上限值，优选高于1.0vol.％的下限值且低于3.0vol.％的上限值，更优选为高于1.3vol.％的下限值且低于3.0vol.％的上限值，更优选为高于1.5vol.％的下限值且低于3.0vol.％的上限值，更优选为高于2.0vol.％的下限值且低于3.0vol.％的上限值；更优选为高于1.3vol.％的下限值且低于2.5vol.％的上限值的量将氧供应到炉中；

-燃料包括废弃物类燃料并且以将烟道气中的氧浓度保持在高于2.5vol.％的下限值且低于5.0vol.％的上限值，优选高于3.0vol.％的下限值且低于5.0vol.％的上限值，更优选为高于3.5vol.％的下限值且低于5.0vol.％的上限值，更优选为高于3.0vol.％的下限值且低于4.0vol.％的上限值的量将氧供应到炉中。

本发明进一步认识到，当床包含钛铁矿颗粒时，可以以低过量空气比实现上述减少的次级含氧气体进料的益处。因此，在优选的实施方式中，用于操作流化床锅炉的方法可以包括设定过量空气比(λ)到低于1.3的值。

过量空气比在数学上等同于空气与燃料的比例。

在进一步优选的实施方式中，λ为1.25或更小，更优选为1.2或更小，更优选为1.1或更小，最优选为1.05至1.1。优选地，对于废弃物类燃料的燃烧，λ为1.23或更小，更优选为1.1或更小，更优选为1.05至1.23，最优选为1.05至1.1。对于生物质燃料的燃烧，λ优选为1.19或更小，更优选为1.1或更小，更优选为1.05至1.19，最优选为1.05至1.1。

本发明进一步提供了对流化床锅炉的操作的增加的灵活性，并且特别地能实现灵活的负载操作。能够以不同的燃料负载操作并且以灵活的方式在不同的燃料负载之间变化的锅炉对于安全保护稳定的热和/或电力和/或蒸汽供应变得越来越重要。特别是对于操作以用于提供热量和电力(power，功率)的锅炉，灵活的负载操作可能是非常期望的。能源需求越来越多地被来自可再生资源的能源覆盖，例如风产生的能量或太阳能(所谓的绿色能源)。然而，风能或太阳能是间歇性能源，因为它们依赖于足够的风或阳光。因此，来自这些间歇性来源的能量不可可靠地供给到电网，并且必须将来自间歇性能源供应的不足或峰值与其它能源平衡以保持稳定的能量供应和稳定的电网操作。允许灵活的负载操作的流化床锅炉可能有助于这种平衡，因为负载可以在低需求时减少并且如果需求突然再次上升则灵活地增加。此外，只将其操作用于热生成的具有灵活负载能力的流化床锅炉也可以是在夜间和白天时间由于温差大所致的需求曲线振荡时而在一年中的某些时候平衡城市供热系统的有力工具。

在减少燃料负载期间建立足够操作的能力与保持固体循环并因此保持系统内的热传递的潜力相结合。其一个实例是所谓的三级过热器，用于蒸汽的最终过热，其通常放置在旋风分离器支柱的环封中。如果固体循环过低，则不可能完成第三过热步骤。通常，与全负载相比，在部分负载下操作锅炉时需要增加量的初级空气，因为在部分负载下，固体燃料颗粒具有较大的粘合在一起的趋势，导致不均匀的燃烧条件。

本发明已经认识到，如果次级空气的流动可以被引导到初级空气流，则这显然增加了保持固体循环的能力，从而为部分负载操作创造了灵活性。特别是对于其需要大量次级空气的非常异质的燃料，从而可以大大降低部分负载操作的下限。

因此，在优选的实施方式中，所述方法还包括：

a)改变燃料负载；以及

b)响应于燃料负载的变化，调节次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例。

优选地，响应于燃料负载的降低，次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例降低；和/或次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例响应于燃料负载的增加而升高。

在特别优选的实施方式中，响应于燃料负载的降低，将次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为零。

在更大的负载灵活性的情况中，优选的是初级含氧流化气体的量增加，同时次级含氧气体的量减少，优选地使得供给到炉中的含氧气体的总量保持基本恒定。在优选的实施方式中，燃料负载降低10％，优选降低25％，进一步优选降低50％，进一步优选降低70％和/或其中燃料负载增加10％，优选增加25％，进一步优选增加50％，进一步优选增加70％，进一步优选增加100％，进一步优选增加200％，进一步优选增加300％。在特别优选的实施方式中，燃料是生物质；和/或操作锅炉以产生热量和电力。

在本发明方法的有利实施方式中，含氧气体可以是空气，且优选地供应到炉中的所有空气被提供为初级流化空气。

在本发明方法的优选实施方式中，床料由钛铁矿颗粒组成；且氧含量的下限值为1.3vol.％，且氧含量的上限值为2.5vol.％；并且优选将所有含氧气体作为初级含氧流化气体提供给炉。

本发明还涉及流化床锅炉，其中用于将含氧气体注入到炉中的所有口都是初级注入口。这意味着用于将含氧气体注入到炉中的所有口是将初级流化气体通过其注入到炉中的口。优选地，含氧气体是空气。流化床锅炉可以优选地包括含有本发明的方法的上下文中的上述定义的钛铁矿颗粒的流化床。优选地，钛铁矿颗粒可以选自由岩型钛铁矿颗粒和砂型钛铁矿颗粒组成的组。流化床锅炉可以优选地选自由BFB锅炉和CFB锅炉组成的组。

在下文中，将通过实施例来说明有利的实施方式。

附图说明

在以下中示出

图1：用于CFB实验的12MW_th CFB锅炉的示意图；

图2：在12MW_th CFB锅炉中的操作期间初级和次级空气的质量流量和烟道气中的氧浓度与时间；

图3：在12MW_th CFB锅炉中的操作期间烟道气中一氧化碳和氧气的浓度与时间；

图4：CFB锅炉中的空气与燃料比的动态变化期间对于岩型钛铁矿和硅砂作为床料的一氧化碳浓度；

图5：在使用钛铁矿和硅砂为床料的BFB反应器中CO和CO₂浓度与流化速度；

图6：在使用钛铁矿和硅砂为床料的BFB反应器中CO和CO₂浓度与燃料负载；

图7：CFB锅炉的示意图。

具体实施方式

实施例1

CFB锅炉操作

举例来说，图7示出了典型的CFB锅炉。参考标号表示：

1 燃料舱

2 燃料斜槽

3 初级燃烧空气风机

4 喷嘴底

5 初级空气分配器

6 次级空气口

7 流化床

8 炉

9 旋风分离器

10 环封

11 浸没式过热器

12 回路立柱

13 热交换器

14 烟道气处理装置

15 烟道气再循环风机

16 烟道

在正常操作期间，将燃料储存在燃料舱(1)中，并且可以通过燃料斜槽(2)供给到炉(8)。用于燃料供给的替代装置(未示出)例如是螺旋进料器和旋转阀，而不排除其它。在这种情况下，将流化气体如空气从床的下方经由初级空气分配器(5)以初级燃烧空气形式供给到炉(8)。夹带的颗粒被流化气体流带走，然后使用旋风分离器(9)与气体流分离，并通过环封(10)循环回到炉(8)中。额外的燃烧空气(所谓的次级空气)可被供给到炉中以增强氧气和燃料的混合。为此，次级空气口(6)位于整个炉中，特别是干舷(炉的上部)。

可以使用本发明的方法来操作CFB锅炉，通过

a)将次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.8的范围内的值；

b)用包含钛铁矿颗粒的流化床进行燃料的燃烧。

实施例2

无需次级空气供给操作Chalmers锅炉

Chalmers 12MWth CFB锅炉设置如图1所示，其中参考标记表示：

10 炉

11 燃料供给(炉子)

12 风箱

13 旋风分离器

14 对流路径

15 次级旋风分离器

16 织物过滤器(textile filter)

17 烟道气风机

18 颗粒分布器

19 颗粒冷却器

20 气化炉

21 颗粒密封件1

22 颗粒密封件2

23 燃料供给(气化炉)

24 燃料料斗(气化炉)

25 料斗

26 燃料料斗1

27 燃料料斗2

28 燃料料斗3

29 污泥泵

30 料斗

31 除灰

32 测量口

使用岩型钛铁矿作为床料操作锅炉，在如通过烟道气中的氧含量所示的空气与燃料比的动态变化期间只有初级空气持续大于500分钟。在普通CFB空气供给条件期间启动该实验，即将初级和次级空气供给到炉中。图2示出了在使用木屑作为燃料的600分钟的操作期间初级和次级空气的质量流量和烟道气中的氧浓度。通过使用顺磁传感器的两个单独的标准在线气体分析仪器测量烟道气中的O2浓度。

在本实验开始期间，将燃料分散器用空气关闭，并且次级/初级空气比为约0.24，并且操作锅炉略低于烟道气中的氧气(O₂)的4vol.％，如从图2可以看出。在约50分钟的操作之后，在两个步骤中减少次级空气直到用于次级空气供给的阀被关闭。这些变化在图2中清楚地示出，其中初级空气以与去除的总次级空气的流量相等的量增加。在该实验中，初级空气的质量流量应保持与实验开始期间相同，以产生相同的气体速度和床料循环。这通过减少总空气和补偿燃料供给来达到与实验开始时的烟道气中相同的O₂浓度。在进行任何改变之前，将这些设置保持约20分钟。

图3示出了实验期间的CO和O₂的浓度。可以看出，即使没有向锅炉供给次级空气(即，次级空气与初级空气的比例为0.0)，在O₂浓度略低于4vol.％时仍没有检测到一氧化碳(CO)。从图2和图3可以看出，烟道气中的O₂可以降低到约2vol.％，而在烟道气中没有检测到任何恒定的CO浓度。这证明钛铁矿的载氧性能足以使得即使在较低的空气与燃料比下仍可以完全除去次级空气。应该注意，非载氧床料如例如硅砂不允许在这样低的氧气浓度下操作，即使使用初级空气和次级空气二者进行操作。

实施例3

图4示出了来自其中在使用单独的岩型钛铁矿的操作期间和在使用单独的硅砂作为Chalmers CFB锅炉中的床料的操作期间，空气与燃料比动态地改变的类似的实验的结果。在该实验期间，初级空气和次级空气二者都被供给到锅炉中。从图3可以看出，当使用硅砂作为床料时，当烟道气中的O₂为约3vol.％时并且在2.5vol.％的O₂下，已经存在CO，CO浓度已经高于在该锅炉中对于正常的CO排放的限制。这可以与岩型钛铁矿的操作进行比较，其中在烟道气中为约1.3vol.％的O₂下首先违反对于CO排放的限制。

这表明即使用初级和次级空气进行使用硅砂作为床料的锅炉操作，作为床料的硅砂不允许锅炉在可以用钛铁矿作为床料并且没有次级空气供给达到的烟道气中的低O₂浓度下运行，如实施例1所示。

实施例4

1)用于BFB实验的设置

查尔姆斯理工大学的2-4MW_th气化炉系统用于使用钛铁矿的BFB燃烧实验。它是间接气化的类型。在这种技术中，将实际气化反应与燃烧反应分离，并且吸热气化反应所需的热量由热循环床料提供。将鼓泡流化床气化炉连接到12MW_th循环流化床锅炉，并将两个反应器通过床料连通，参见图1。在气化炉中的床的顶部上供给燃料，且气化炉用纯蒸汽流化。通常用硅砂操作系统，并且在750-830℃的温度间距内操作气化炉。图1示出了锅炉和气化炉设置。

2)气化炉中的钛铁矿操作

恒定燃料进料下流化速度的变化

为了研究挥发物与床料之间的气体/固体接触，气化炉用100wt.％的平均粒径为0.14mm的钛铁矿作为床料操作几天。在四种不同的蒸汽流下进行第一个实验，产生气体速度的多样性：0.13、0.19、0.25和0.28m/s，其对应于钛铁矿部分的最小流化速度的5、7、9和11倍。在该实验期间，使用每小时300kg的燃料(木屑颗粒)连续地供给气化炉，并且床温保持在820-830℃。图5示出了在钛铁矿操作期间气化炉出口中的分析的气体组分CO₂和CO。在正常气化条件(参考，砂、标记颜色为红色)期间的普通硅砂的数据已经添加到图中用于与钛铁矿进行比较。从图5可以看出，与硅砂操作相比，当使用钛铁矿时，CO浓度明显降低，且CO₂浓度增加了几乎4倍。当用纯蒸汽流化气化炉时，将为了增加烃类和CO的氧化而供应的所有额外的氧与钛铁矿的载氧性质相结合。这进一步显示了钛铁矿拥有的氧缓冲效应和在燃料转化期间将氧从富氧区运送到氧耗尽区的能力。可将气化炉中的流化条件和气体固体接触与BFB锅炉中的条件比较，因此在BFB锅炉中钛铁矿也可能有助于增加氧运输。

恒定流化速度下燃料供给的变化

在200kg/h的恒定蒸汽流量(产生0.19m/s的气体速度，相当于最小流化速度的7倍)和燃料进料的变化期间进行第二个实验：200、300和400kg_燃料/小时(木屑颗粒)。图6示出了气化炉出口中的CO和CO₂的测量气体浓度。该趋势与图5中的趋势非常相似，CO浓度作为通过钛铁矿的氧气运输的函数而明显降低。CO₂浓度还显示烃类被燃烧，而不是仅CO被氧化。该结果表明，即使燃料进料从200kg/h增加至400kg/h，仍存在足够的氧气以支持CO和烃类的氧化。

在流化床锅炉的燃烧期间，通常以通过床下方的喷嘴的初级空气形式和以炉的干舷中的次级空气形式二者供应空气。气化炉中的实验表明，可以通过钛铁矿床中的缓冲氧实现高燃料转化率，即完全没有添加任何空气。这意味着在床中或其附近已进行挥发物的高度氧化，并且表明使用较少或没有次级空气的BFB锅炉的操作。

初步测试表明，对于废弃物可以达到1.23或更低的过量空气比。这表明对于生物质燃料可以达到1.19或更低的过量空气比。

Claims

1.一种用于操作流化床锅炉的方法，所述流化床锅炉包括初级空气口和次级空气口，所述方法包括：

a)将次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.4范围内的值；

b)用包含钛铁矿颗粒的流化床进行燃料的燃烧，其中所述钛铁矿颗粒构成床料的至少10wt.％，

所述锅炉是鼓泡流化床(BFB)锅炉或循环流化床(CFB)锅炉，其中，所述流化气体以其中大部分颗粒被流化气体流带走的流化速度通过所述床料，

其中，以将烟道气中的氧浓度保持在高于0.8vol.％的下限值且低于5.0vol.％的上限值的量向炉膛供应氧。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.3范围内的值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于将所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为0。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中

-所述燃料包括生物质并且将所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.3范围内的值；和/或

-所述燃料包括废弃物并且将所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.3范围内的值。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述燃料包括生物质并且将所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.2范围内的值。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述燃料包括生物质并且将所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.1范围内的值。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述燃料包括废弃物并且将所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.2范围内的值。

8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述燃料包括废弃物并且将所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.1范围内的值。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于以下特征之一：

-所述燃料包括煤并且以将所述烟道气中的氧浓度保持在高于0.8vol.％的下限值且低于2.5vol.％的上限值的量向所述炉膛供应氧；或者

-所述燃料包括生物质并且以将所述烟道气中的氧浓度保持在高于1.0vol.％的下限值且低于3.5vol.％的上限值的量向所述炉膛供应氧；或者

-所述燃料包括废弃物类燃料并且以将所述烟道气中的氧浓度保持在高于2.5vol.％的下限值且低于5.0vol.％的上限值的量向所述炉膛供应氧。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃料包括煤并且以将所述烟道气中的氧浓度保持在高于0.8vol.％的下限值且低于2.0vol.％的上限值的量向所述炉膛供应氧。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃料包括煤并且以将所述烟道气中的氧浓度保持在高于1.3vol.％的下限值且低于1.8vol.％的上限值的量向所述炉膛供应氧。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃料包括煤并且以将所述烟道气中的氧浓度保持在高于1.5vol.％的下限值且低于1.8vol.％的上限值的量向所述炉膛供应氧。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃料包括生物质并且以将所述烟道气中的氧浓度保持在高于1.0vol.％的下限值且低于3.0vol.％的上限值的量向所述炉膛供应氧。

14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃料包括生物质并且以将所述烟道气中的氧浓度保持在高于1.3vol.％的下限值且低于3.0vol.％的上限值的量向所述炉膛供应氧。

15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃料包括生物质并且以将所述烟道气中的氧浓度保持在高于1.5vol.％的下限值且低于3.0vol.％的上限值的量向所述炉膛供应氧。

16.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃料包括生物质并且以将所述烟道气中的氧浓度保持在高于2.0vol.％的下限值且低于3.0vol.％的上限值的量向所述炉膛供应氧。

17.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃料包括生物质并且以将所述烟道气中的氧浓度保持在高于1.3vol.％的下限值且低于2.5vol.％的上限值的量向所述炉膛供应氧。

18.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃料包括废弃物类燃料并且以将所述烟道气中的氧浓度保持在高于3.0vol.％的下限值且低于5.0vol.％的上限值的量向所述炉膛供应氧。

19.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃料包括废弃物类燃料并且以将所述烟道气中的氧浓度保持在高于3.5vol.％的下限值且低于5.0vol.％的上限值的量向所述炉膛供应氧。

20.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述燃料包括废弃物类燃料并且以将所述烟道气中的氧浓度保持在高于3.0vol.％的下限值且低于4.0vol.％的上限值的量向所述炉膛供应氧。

21.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，进一步包括：

c)改变燃料负载；以及

d)响应于所述燃料负载的变化，调节所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例。

22.根据权利要求21所述的方法，其中

-响应于所述燃料负载的减少，降低所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例；和/或

-响应于所述燃料负载的增加，升高所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例。

23.根据权利要求21所述的方法，其中响应于所述燃料负载的减少，将所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为零。

24.根据权利要求21所述的方法，其中增加所述初级含氧流化气体的量，同时减少所述次级含氧气体的量。

25.根据权利要求21所述的方法，其中增加所述初级含氧流化气体的量，同时减少所述次级含氧气体的量，使得供给到炉膛中的含氧气体的总量基本上保持恒定。

26.根据权利要求21所述的方法，其中，所述燃料负载降低10％和/或其中所述燃料负载增加10％；和/或其中所述燃料是生物质；和/或其中操作所述锅炉以产生热量和电力。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述燃料负载降低25％。

28.根据权利要求26所述的方法，其中，所述燃料负载降低50％。

29.根据权利要求26所述的方法，其中，所述燃料负载降低70％。

30.根据权利要求26所述的方法，其中，所述燃料负载增加25％。

31.根据权利要求26所述的方法，其中，所述燃料负载增加50％。

32.根据权利要求26所述的方法，其中，所述燃料负载增加70％。

33.根据权利要求26所述的方法，其中，所述燃料负载增加100％。

34.根据权利要求26所述的方法，其中，所述燃料负载增加200％。

35.根据权利要求26所述的方法，其中，所述燃料负载增加300％。

36.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于所述钛铁矿颗粒构成床料的至少20wt.％。

37.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于所述钛铁矿颗粒构成床料的至少30wt.％。

38.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于所述钛铁矿颗粒构成床料的至少40wt.％。

39.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于所述钛铁矿颗粒构成床料的至少50wt.％。

40.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于所述钛铁矿颗粒构成床料的至少60wt.％。

41.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于所述钛铁矿颗粒构成床料的至少75wt.％。

42.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于所述钛铁矿颗粒构成床料的至少80wt.％。

43.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于所述钛铁矿颗粒构成床料的至少85wt.％。

44.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于所述钛铁矿颗粒构成床料的至少90wt.％。

45.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于所述钛铁矿颗粒构成床料的至少95wt.％。

46.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于所述钛铁矿颗粒构成床料的100wt.％。

47.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述锅炉是鼓泡流化床(BFB)锅炉。

48.根据权利要求47所述的方法，其中，所述方法的特征在于以下特征中的一个或多个：

-所述燃料包括生物质并且将所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.3范围内的值；或者所述燃料包括废弃物并且将所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.3范围内的值；

-所述钛铁矿颗粒具有0.1mm至1.8mm的平均粒径。

49.根据权利要求48所述的方法，其中，

i)所述钛铁矿颗粒的平均粒径为至少0.2mm并且不大于1.8mm；和/或

ii)所述钛铁矿颗粒具有在0.1mm至1.8mm范围内的粒径。

50.根据权利要求49所述的方法，其中，所述钛铁矿颗粒的平均粒径为至少0.3mm。

51.根据权利要求49所述的方法，其中，所述钛铁矿颗粒的平均粒径为至少0.4mm。

52.根据权利要求49所述的方法，其中，所述钛铁矿颗粒的平均粒径为不大于1.0mm。

53.根据权利要求49所述的方法，其中，所述钛铁矿颗粒的平均粒径为不大于0.6mm。

54.根据权利要求49所述的方法，其中，所述钛铁矿颗粒具有在0.3mm至1.0mm范围内的粒径。

55.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述锅炉是循环流化床(CFB)锅炉。

56.根据权利要求55所述的方法，其中，所述方法的特征在于以下特征中的一个或多个：

-所述燃料包括生物质和/或废弃物并且将所述次级含氧气体与初级含氧流化气体的比例设定为在0.0至0.4范围内的值；

-所述钛铁矿颗粒具有50μm至400μm的平均粒径。

57.根据权利要求56所述的方法，其中，所述钛铁矿颗粒具有100μm至300μm的平均粒径。

58.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，含氧气体是空气。