CN113227652A

CN113227652A - 流化床炉

Info

Publication number: CN113227652A
Application number: CN201980086088.4A
Authority: CN
Inventors: 五十岚实; 小川祐司; 清水敬哲; 武藤贞行; 清泷元; 饭田雄介
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2021-08-06
Also published as: WO2020138484A1; BR112021012320A2; JP7251978B2; JP2020106244A

Abstract

使包含碱金属的燃料燃烧的流化床炉具有使流动介质流动而使所提供的燃料燃烧的流动层。燃料含有碱金属。流动介质由颗粒状矿物和/或颗粒状炉渣构成，石英的含有量为14质量％以下。

Description

流化床炉

技术领域

本发明涉及使包含碱金属的燃料燃烧的流化床炉。

背景技术

近年来，生物质被认为是有力的可再生能源之一。例如，在生物质发电中，使用燃烧生物质燃料而产生的水蒸气或气体，使涡轮旋转从而进行发电。为了使生物质燃料燃烧，例如使用流化床炉。流化床炉具有通过吹起的加压空气而使高温的流动介质流动的流动层，在流动层中使所提供的燃料燃烧。作为上述流动介质，通常使用硅砂。硅砂是指主要由石英粒构成的砂。

在生物质中，以往被废弃的棕榈椰子空果串(EFB：Empty Fruit Bunches)的利用也受到关注。EFB是含水量约为60质量％且发热量约为4000kcal/kg的有效的燃料，但在干燥基(Dry Basis)中包含约2重量％的钾(K)。在流动介质为硅砂的流化床炉中，在使用含有钾或钠(Na)等碱金属成分的燃料的情况下，通过碱金属成分与硅砂颗粒(即，石英粒子)之间的化学反应而形成碱金属的硅酸盐。该硅酸盐是在低于炉内温度(约800～900℃)的700℃左右熔融的低熔点化合物，在硅砂粒子表面上形成粘接层。硅砂粒子彼此经由该粘接层而固定，产生硅砂的凝集和块化。如果流动介质这样块化，则会妨碍流动层的良好的流动，燃料的稳定的燃烧变得困难。针对这样的课题，在专利文献1～3中提出了在流化床炉中防止流动介质的凝集的技术。

在专利文献1中公开了如下的内容：将含有30质量％左右的氧化镁的冶炼渣用作流动介质，使投入到流动层的燃料中的碱金属成分与冶炼渣反应，一边在冶炼渣的表面形成高熔点的涂层一边使燃料燃烧。

另外，在专利文献2中公开了如下的内容：在将泥炭、褐煤以及次烟煤这样钠成分较多的碳质燃料气化的流动层气化炉中，使用生石灰作为流动介质，利用包含H₂、CO₂以及H₂O的气化剂使流动介质流动。

另外，在专利文献3中公开了如下的内容：在将泥炭、褐煤以及次烟煤这样钠成分较多的碳质燃料气化的流动层气化炉中，使用氧化铝作为流动介质，利用包含H₂、CO₂以及H₂O的气化剂使流动介质流动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第5536063号公报

专利文献2：日本特开2017-088831号公报

专利文献3：日本特开2017-071692号公报

发明内容

发明要解决的课题

专利文献1所记载的技术通过使熔点比炉内温度高的化合物附着于构成流动介质的粒子的表面来抑制粒子的凝集和块化。另外，专利文献2、3所记载的技术通过流动介质的粒子与钠的反应来抑制熔点比炉内温度低的钠玻璃的生成。

当采用氧化铝作为流动介质时，由于氧化铝与硅砂相比价格高，因而费用增加。另外，当采用生石灰作为流动介质时，由于生石灰容易与水分反应，因此不适于燃烧生物质燃料那样水分较多的燃料的情况。

本发明是鉴于以上的情况而完成的，其目的在于，在使包含碱金属的燃料燃烧的流化床炉中，使用比较廉价且容易获得的流动介质来抑制流动介质的块化。

用于解决课题的手段

本发明的一个方式的流化床炉的特征在于，该流化床炉具有流动层，该流动层使流动介质流动而使所提供的燃料燃烧，所述燃料含有碱金属，所述流动介质由颗粒状矿物和/或颗粒状炉渣构成，石英的含有量为14质量％以下。

在上述流化床炉中，所述矿物可以是从由石榴石、钛铁矿、橄榄石以及铬铁矿构成的组中选择的至少1种矿物。

另外，在上述流化床炉中，所述炉渣可以是从由镍铁炉渣和铜炉渣构成的组中选择的至少1种炉渣。

在上述结构的流化床炉中，由于流动介质的石英的含有量为14质量％以下，因此即使流动介质中的石英与燃料中的碱金属成分发生反应而在粒子表面形成有粘接层，也不会产生流动介质的凝集和块化，或者即使产生流动介质的凝集和块化也是很少的，从而流动层能够维持良好的流动。而且，如上述所例示的那样，在石英的含有量为14质量％以下的流动介质中，存在比较廉价且能够容易地获得的介质。

发明效果

根据本发明，在使包含碱金属的燃料燃烧的流化床炉中，能够使用比较廉价且容易获得的流动介质来抑制流动介质的块化。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的流化床炉的概略结构图。

图2是流动加热试验装置的概略结构图。

具体实施方式

接下来，参照附图对本发明的实施方式进行说明。图1是本发明的一个实施方式的流化床炉1的概略结构图。图1所例示的流化床炉1是内部循环流动层式的流化床炉1。但是，在本发明中，流化床炉1没有限制，除了内部循环流动层式以外，还能够在通常的气泡流动层式、高速流动层式以及外部循环流动层式等公知的各种形式的流化床炉中应用本发明。

流化床炉1具有燃烧容器10。在流化床炉1中通过分隔壁41、42、流动介质4以及流动化气体提供装置7来形成内部循环流动层2，其中，该分隔壁41、42将燃烧容器10的下部分隔为3种单元61、62、63，该流动介质4填充于各单元61、62、63，该流动化气体提供装置7将使流动介质4流动的流动化气体110提供至各单元61、62、63。

燃烧容器10内的下部被分隔成位于中央的“燃烧单元61”、位于燃烧单元61的外侧的“循环单元62”以及位于循环单元62的外侧的“吸热单元63”这3种单元。

第1分隔壁41将燃烧单元61与循环单元62之间分隔。第1分隔壁41的下端与燃烧容器10的底分离，允许流动介质4从燃烧单元61通过第1分隔壁41的下方而向循环单元62移动。第2分隔壁42将循环单元62与吸热单元63之间分隔。第2分隔壁42的下端与燃烧容器10的底分离，允许流动介质4从吸热单元63通过第1分隔壁41和第2分隔壁42的下方而向燃烧单元61移动。第2分隔壁42的上端位于收纳于燃烧容器10的流动介质4的表面水平或者其附近，允许流动介质4从循环单元62越过第2分隔壁42而向吸热单元63移动。

在燃烧单元61的上方设置有燃料投入口11。通过未图示的燃料提供装置向燃料投入口11定量地提供燃料3。从燃料投入口11向炉内投入的燃料3下落至燃烧单元61。另外，在燃料投入口11的附近设置有吹入二次燃烧气体120的二次燃烧气体提供口12。而且，在比二次燃烧气体提供口12靠上方的位置设置有吹入三次燃烧气体130的三次燃烧气体提供口13。

在吸热单元63中设置有过热器或蒸发器等导热管64。利用通过该导热管64的热介质来进行热回收。

流动化气体提供装置7向燃烧单元61、循环单元62以及吸热单元63分别提供独立地调整了流量后的流动化气体110。燃烧容器10的底部由设置有多个气孔的分散板构成。在燃烧容器10的下方设置有通过气孔而与燃烧容器10的内部连通的风箱71、72、73。风箱71、72、73与各单元61、62、63对应地设置。从未图示的压入风扇向各风箱71、72、73压送高温的流动化气体110。向各风箱71、72、73提供的流动化气体110的流量可以通过未图示的阀或者风门来调整。

在流动化气体提供装置7中，调整向各风箱71、72、73提供的流动化气体110的流量，以使各单元61、62、63的流动化气体110的空塔速度成为使流动介质4产生循环流动的规定的相关关系。这里，“规定的相关关系”是指以各单元61、62、63的流动化气体110的空塔速度比流动介质4的流动化速度大为前提，循环单元62的流动化气体110的空塔速度比燃烧单元61的流动化气体110的空塔速度大，并且燃烧单元61的流动化气体110的空塔速度比吸热单元63的流动化气体110的空塔速度大的各单元61、62、63的流动化气体110的空塔速度的关系。由此，燃烧单元61的流动介质4通过第1分隔壁41的下方而向循环单元62移动，循环单元62的流动介质4通过第2分隔壁42的上方而向吸热单元63移动，吸热单元63的流动介质4通过第1分隔壁41和第2分隔壁42的下方而向燃烧单元61循环。

在上述结构的流化床炉1中，在流动层2中进行低空气比燃烧。在氧气浓度低的还原气氛的流动层2中，由于燃料3的缓慢的干燥和热分解而产生可燃性热分解气体和热分解残渣。热分解残渣或燃料3的残余从设置于燃烧单元61的底部的流动介质4和不可燃物的取出口15向炉外排出。吹过循环单元62和吸热单元63的流动化气体110以及在循环单元62和吸热单元63中产生的热分解气体作为二次燃烧气体120从二次燃烧气体提供口12吹出。在燃烧单元61中产生的热部分解气体利用二次燃烧气体120进行燃烧，该燃烧气体中的未燃烧部分利用三次燃烧气体130进行完全燃烧，该燃烧废气向炉外排出。

在上述流化床炉1中，作为燃料3，可以使用含有钾、钠等碱金属的生物质燃料、低品质煤。因此，流动介质4由颗粒状矿物和/或颗粒状炉渣构成，石英的含有量为14质量％以下。

上述的矿物可以是从由石榴石、钛铁矿(FeTiO₃)、橄榄石((Mg，Fe)₂SiO₄)以及铬铁矿((Fe，Mg)Cr₂O₄)构成的组中选择的至少1种矿物。这些矿物与硅砂相比，所含有的石英足够少。石榴石被表示为通式A₃B₂(SiO₄)₃或A₃B₂C₃O₁₂。在主要成分中，作为A具有钙、镁、铁(II)、锰等，作为B具有铁(III)、铝、铬、钛等，作为C具有硅、铝、铁(III)等。

另外，上述的炉渣可以是从由镍铁炉渣和铜炉渣构成的组中选择的至少1种炉渣。这些炉渣与硅砂相比，所含有的石英足够少。镍铁炉渣是在冶炼成为不锈钢等的原料的镍铁时产生的残留物。镍铁炉渣以SiO₂(二氧化硅)和MgO为主要成分。铜炉渣是在冶炼铜时产生的残留物。铜炉渣以FeO、SiO₂、CaO、Al₂O₃为主要成分。

流动介质4的石英的含有量能够通过X射线衍射法来测量。流动介质4中的石英与燃料3中的碱金属成分发生反应而在粒子表面形成粘接层，其结果为，产生流动介质4的凝集和块化。当石英的含有量超过14质量％时，流动介质4的凝集和块化会妨碍流动层2的流动，燃料3的稳定的燃烧变得困难。在石英的含有量为14质量％以下时，不会产生流动介质4的凝集和块化，或者即使产生凝集和块化也是很少的，从而流动层2能够维持良好的流动。流动介质4也可以不含有石英。从这样的观点出发，流动介质4的石英的含有量为0质量％以上且14质量％以下。另外，作为流动介质4的元素的SiO₂的含有量没有特别限制。

准备如下的各试样：

试样1：石榴石(印度产石榴石砂(氧化铝系的铁铝榴石(Fe₃Al₂(SiO₄)₃))，株式会社MAC)；

试样2：镍铁炉渣(NE砂6号，山川产业株式会社)；

试样3：钛铁矿(澳大利亚产钛铁矿，岩谷产业株式会社)；

试样4：铬铁矿(铬铁矿砂，山川产业株式会社)；

试样5：橄榄石(橄榄石砂，东邦橄榄石工业株式会社)；

比较试样：硅砂(竹折硅砂5号，有限会社竹折矿业所)。

在表1中示出了试样1～3和比较试样的元素分析结果。另外，在表1中还一并示出了石榴石(铁铝榴石)、镍铁炉渣以及钛铁矿的标准组成。另外，在表2中示出了试样1～5和比较试样的价格、X射线衍射的分析烧结品、耐久性试验结果以及流动加热试验结果。在比较试样的硅砂中，所包含的SiO₂的大部分作为石英存在。另一方面，虽然在试样1～3中包含有SiO₂，但其大部分不作为石英存在，石英的含量为14质量％以下。在试样4、5中几乎不包含石英。另外，试样1～3的价格被抑制在硅砂的价格的10倍以下。另外，氧化铝的价格是硅砂的价格的10倍以上。

[表1]

元素分析结果

各元素的数值将整体作为100而以质量％表示。

[表2]

[表3]

	流速[m/s]	流动介质的粒径[mm]
			内部循环流化床锅炉ICFB	1～2(流动层内)	0.6
循环流化床锅炉CFB	6～8	0.2～0.3

流动介质4的平均粒径根据流动层内的流动介质的流速(目标流速)而被设定为适当的范围。在表3中，针对内部循环流化床锅炉(ICFB)和循环流化床锅炉(CFB)分别示出了流动层内的流动介质的流速与粒径的关系。例如假设流动层的层温度：550℃～1000℃，流动介质4的比重：2.5～5.0，优选的流动介质4的平均粒径能够计算为流动化开始速度Umf为0.129m/s以下的粒径的最小值至最大值的范围。这样的流动介质4的平均粒径大致收敛在0.37mm以上且0.61mm以下的范围内。例如，在层温为800℃、流体介质(试样1)的比重为4g/cm³的情况下，在粒径为0.48mm时，Umf约为0.129m/s。因此，优选将流动介质(试样1)的平均粒径设为0.48mm。另外，例如，在层温度为800℃、流动介质(试样2)的比重为2.8g/cm³的情况下，在粒径为0.58mm时，Umf约为0.129m/s。因此，优选将流动介质(试样2)的平均粒径设为0.58mm。另外，例如，在层温度为800℃、流动介质(试样3)的比重为4.7g/cm³的情况下，在粒径为0.44mm时，Umf约为0.129m/s。因此，优选将流动介质(试样3)的平均粒径设为0.44mm。

另外，流动介质4的平均粒径可以通过筛选法来测量。具体而言，使用在JIS Z8801中规定的筛子进行筛选，计测残留在各个筛子上的试样的质量，并在图表中记载累积分布，求出累积分布(粒度分布)的体积基准的相对粒子量为50％的粒径(d50)作为平均粒径。

(流动加热试验及其结果)

这里，对用于评价流动介质4的凝集抑制效果的流动加热实验进行说明。

图2是示出流动加热试验装置8的概略结构的图。流动加热试验装置8具有SUS制的炉心管81、对炉心管81进行加热的管状炉80、作为流动化气体源的Ar储气瓶82和PR储气瓶83、对流动化气体进行加热的空气加热器84以及设置于来自炉心管81的排气系统的集尘用旋风分离器88和冷阱89。在炉心管81中以使静止层高为60mm的方式填充有流动介质4的试样。来自Ar储气瓶82的Ar气体提供量由第1质量流量控制器85调整，来自PR储气瓶83的PR气体提供量由第2质量流量控制器86调整。流动加热试验装置8还具有：第1压力传感器91，其检测流动层2的层内压力；第2压力传感器92，其检测炉心管81的出口压力；温度传感器95，其检测流动层2的温度；以及流动层差压计94，其计测流动层2的层内压力与炉心管81的出口压力之差即流动层差压ΔP2。

在上述结构的流动加热试验装置8中，来自Ar储气瓶82和PR储气瓶83的气体在由质量流量控制器85、86进行了流量调整之后合流，并被空气加热器84加热至200℃，作为流动化气体流入炉心管81的底部入口。流动化气体从下方朝向上方通过炉心管81，由此流动介质4流动而形成流动层2。在流动中破裂而变得微细的流动介质4从流动层2飞散而通过干舷层，伴随着废气而从炉心管81排出。来自炉心管81的废气通过旋风分离器88，在此分离回收伴随着废气的微细的流动介质。通过了旋风分离器88的废气在冷阱89中被冷却而扩散。

流动加热试验按照以下的(1)～(6)的步骤进行。

(1)称量11.5g的模拟灰(K₂CO₃)，在烧杯内混合流动介质的试样和模拟灰，以使流动层2中的模拟灰体积浓度为0.117g/mL。

(2)将试样和模拟灰的混合物填充到炉心管81中，以使初始静止层高为60mm。

(3)一边利用2.0NL/min的Ar气体进行通气，一边在管状炉80中使炉心管81升温。如果流动层2内的温度成为750℃附近，则将Ar气体的流量调整为相当于U/Umf＝5.0。

(4)在将流动层2内的温度稳定在750℃之后，通过向Ar气体中添加PR气体(CH₄10％+Ar基的比例气体(Proportional Gas))来进行调整，以使CH₄浓度为4％，从而开始试验。

(5)当流动介质凝集而不再流动时，流动层差压ΔP1降低。因此，根据波形图来观察流动层差压ΔP1的变化，在流动层差压ΔP1急剧减少的时刻结束试验。在未观察到流动层差压ΔP1的急剧变化的情况下，在5小时内结束试验。

(6)在试验结束后，对炉心管81进行降温，并确认炉心管81内的状况(由凝集物生成引起的桥、管内附着状况等)。进而，取出炉心管81的内容物，使用网眼500μm的筛子，测量分级后的各重量。

表2示出了流动加热试验的结果。将用筛子分级为500μm以上的流动介质作为“凝集的流动介质”，将凝集的流动介质的质量相对于初始的流动介质的总质量的比例[％]作为凝集率。试样1～3、5均能够得到明显比作为比较试样的硅砂低的凝集率，并且未观察到流动层2的流动不良。

(耐久性试验及其结果)

流动介质4优选具有规定的耐久性。流动介质4的耐久性能够通过流动加热后的残留率来进行评价。耐久性的评价的基准例如可以设为通常用作流动介质的硅砂的耐久性。

耐久试验与上述流动加热试验同时进行。具体而言，在流动加热实验中，测量由旋风分离器88回收的流动介质的质量。然后，将在试验开始时填充在炉心管81中的流动介质的质量与由旋风分离器88回收的流动介质的质量之差除以在试验开始时填充在炉心管81中的流动介质的质量，并将对其结果乘以100而得到的值作为残留率[％]。

表2示出了耐久性试验的结果。试样1～3、5均得到了比作为比较试样的硅砂高的残留率。因此，可以说试样1～3、5具有作为流动介质的规定的耐久性。

由以上可知，在本发明的流化床炉1中，在使包含碱金属的燃料3燃烧的情况下，能够使用比较廉价且容易获得的流动介质来抑制流动介质的块化。

标号说明

1：流化床炉；2：流动层；3：燃料；4：流动介质；7：流动化气体提供装置；8：流动加热试验装置；10：燃烧容器；11：燃料投入口；12：二次燃烧气体提供口；13：三次燃烧气体提供口；15：取出口；41、42：分隔壁；61：燃烧单元；62：循环单元；63：吸热单元；64：导热管；71、72、73：风箱；80：管状炉；81：炉心管；82：Ar储气瓶；83：PR储气瓶；84：空气加热器；85、86：质量流量控制器；88：旋风分离器；89：冷阱；91、92：压力传感器；94：流动层差压计；95：温度传感器；110：流动化气体；120：二次燃烧气体；130：三次燃烧气体。

Claims

1.一种流化床炉，其中，

该流化床炉具有流动层，该流动层使流动介质流动而使所提供的燃料燃烧，

所述燃料含有碱金属，

所述流动介质由颗粒状矿物和/或颗粒状炉渣构成，石英的含有量为14质量％以下。

2.根据权利要求1所述的流化床炉，其中，

所述矿物是从由石榴石、钛铁矿、橄榄石以及铬铁矿构成的组中选择的至少1种矿物。

3.根据权利要求1或2所述的流化床炉，其中，

所述炉渣是从由镍铁炉渣和铜炉渣构成的组中选择的至少1种炉渣。