TW202200937A - 碳混燒鍋爐之燃灰的附著預測評估方法 - Google Patents
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Abstract
關於碳混燒鍋爐之燃灰的附著預測評估方法，把生質(biomass)作為可再生能源利用之碳混燒鍋爐之燃灰的附著預測評估方法，把對前述碳混燒鍋爐的主燃料之碳以特定的添加率混合了生質之試樣進行灰化調製試驗灰，把該試驗灰以前述碳混燒鍋爐的燃燒溫度條件燒結產生燒結灰，將該燒結灰加入拉特試驗機，由試驗後的燒結灰重量除以試驗前的燒結灰重量求出膠著度，根據該膠著度於事前評估前述碳混燒鍋爐之燃灰的附著狀況。
Description
本發明係關於碳混燒鍋爐之燃灰的附著預測評估方法。
近年來，由推進地球暖化對策的觀點來看，擴大導入可再生能源變成重要事項，在火力發電廠等把生質(biomass，來自動植物的有機物)作為可再生能源利用之碳混燒鍋爐越來越增多。
特別是在火力發電廠的場合，發電效率是對發電設備的投入能量與發電所得電力能量的比率，由此，把可再生能源之生質作為投入能源來利用，可以謀求發電效率的提高。
圖1顯示碳混燒鍋爐的一例，圖中1為爐壁管(傳熱管)所形成的火爐1a與後部傳熱部1b所構成的鍋爐本體，2為往鍋爐本體1的火爐1a內投入的碳(微粉碳)與生質之混合燃料，3為一次過熱器，4為二次過熱器，5為三次過熱器，6為最終過熱器，7為一次再熱器，8為二次再熱器，9為節碳器，這些熱交換器由傳熱管構成。
接著，往鍋爐本體1的火爐1a內投入混合燃料使其燃燒時，產生的燃燒氣體，加熱構成火爐1a的爐壁之傳熱管後，加熱火爐1a上部之由二次過熱器4、三次過熱器5、最終過熱器6、二次再熱器8所構成的上部傳熱部11，接著，加熱後部傳熱部1b之一次過熱器3、一次再熱器7及節碳器9，熱交換之後的廢氣往廢氣導管10流出，在設於下游側的脫硝、脫硫等排煙處理裝置(未圖示)除去氮氧化物或硫氧化物等之後往大氣排出。
又，作為關聯於把這種生質作為可再生能源利用的碳混燒鍋爐之先前技術文獻資訊，有下列專利文獻1等。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2015-87053號公報
[發明所欲解決之課題]
然而，前述那樣的碳混燒鍋爐的場合，隨著與碳混燒的生質種類的不同，碳混燒鍋爐會發生結垢(燃灰附著於火爐1a上部至後段的傳熱管)，例如，隨著這樣的結垢的進行，有誘發傳熱阻礙或閉塞、塊狀硬質爐渣(clinker)落下導致的物理損傷等灰害故障的疑慮，但是到目前為止並沒有事前評估碳混燒鍋爐的燃灰附著狀況的有效手段，要確實發現可以在不發生灰害故障的範圍內可以把生質添加率提高到哪個程度是非常困難的。
本發明是有鑑於前述情形而完成之發明，目的在於可以在事前評估把生質作為可再生能源利用的碳混燒鍋爐之燃灰的附著狀況。
[供解決課題之手段]
本發明係碳混燒鍋爐之燃灰的附著預測評估方法，把生質(biomass)作為可再生能源利用之碳混燒鍋爐之燃灰的附著預測評估方法，把對前述碳混燒鍋爐的主燃料之碳以特定的添加率混合了生質之試樣進行灰化調製試驗灰，把該試驗灰以前述碳混燒鍋爐的燃燒溫度條件燒結產生燒結灰，將該燒結灰加入拉特試驗機，由試驗後的燒結灰重量除以試驗前的燒結灰重量求出膠著度，根據該膠著度於事前評估前述碳混燒鍋爐之燃灰的附著狀況。
然而，如此進行的話，可以再現在與試樣以相同添加率混合生質的碳以實際的碳混燒鍋爐燃燒的場合會發生的燃灰的附著狀況，而能夠以其膠著度為指標而使實際上的可信賴性高的評估，可以容易地找出在不招致灰害故障的範圍內可以把生質添加率提高到哪個程度。
此外，更具體地實施本發明時，比較在實際的碳混燒鍋爐之燃灰附著結果與膠著度，特定出實際上的碳混燒鍋爐不會招致灰害故障的膠著度的附著安全區域為佳，如此進行的話，以膠著度收斂於附著安全區域內的方式來調整生質的添加率，可以避免灰害障礙於未然。
進而，於本發明，針對改變生質對碳的添加率之複數試驗灰求出膠著度，把該膠著度在附著安全區域內取最大值之生質添加率評估為最適添加率為較佳。
又，特定出在實際的碳混燒鍋爐不會招致灰害故障的膠著度的附著安全區域時，即使膠著度相同也會隨著實際上的碳混燒鍋爐的構造等的不同而使灰害故障的發生狀況多少有所不同，而把膠著度為0.5以下的區域特定為附著安全區域的話，大致上可以避免嚴重的灰害故障。
[發明之效果]
根據前述之本發明的碳混燒鍋爐之燃灰的附著預測評估方法，可以再現在與試樣以相同添加率混合生質的碳而以實際的碳混燒鍋爐燃燒的場合會發生的燃灰的附著狀況，而能夠以其膠著度為指標而進行實際上的可信賴性高的評估，所以可以避免隨著燃灰的附著進行而發生傳熱阻礙或閉塞、塊狀的硬質爐渣落下導致物理的損害等灰害故障的發生，同時可在不招致灰害故障的發生的範圍內極大化設定生質的添加率而效率佳地有效利用該生質。
以下，參照圖式說明本發明之實施型態。
圖2~圖10係顯示實施本發明的型態之一例，在本實施例中，利用在評估劣質煤(次瀝青碳)的灰汙垢(附著性)上已經具有實績的膠著度測定法，事前評估碳與生質混燒時的燃灰之附著狀況。
亦即，膠著度，被新定義作為一種應用定量地評估金屬壓粉體的耐磨耗性及先端安定性之拉特試驗，用於定量化燒結體的硬度之指標，且把拉特試驗後的重量除以拉特試驗前的重量之比值設為膠著度。
更具體地依本實施例來說明，拉特試驗，係將依據碳的灰分分析法之日本工業標準(JIS M 8812)以特定的添加率混合生質之試樣於馬弗爐(muffle furnace)以815℃進行灰化來調製試驗灰，且如圖2所示，藉由把該試驗灰裝填到氧化鋁舟皿12之後，收容於安裝在電爐13的氧化鋁管14內並依碳混燒鍋爐(參照圖1)的燃燒溫度條件進行加熱處理而使之燒結，將藉此產生的燒結灰之硬度(後述的膠著度)用如圖3所示的拉特試驗機15測定並予以評估之試驗。
此處，拉特試驗機15，係用於測定金屬壓粉體的耐磨耗性及先端安定性之裝置，且為使直徑100mm、長度120mm的圓筒形狀金屬網16(篩目1mm＃)以速度80rpm旋轉之裝置，在將燒結灰放入前述拉特試驗機15中的圓筒形狀金屬網16後使之旋轉時，燒結灰在被暫時向上方提起後會落下與金屬網內壁碰撞而由表面徐徐崩陷，因而在一定條件下旋轉之後，由殘留在圓筒形狀金屬網16內的重量進行評估灰的燒結性。
又，試驗條件，可以如下來決定並進行。
•溫度 ：900～1300℃
•環境氛圍：空氣
•加熱時間：1h
•評估方法：把下列式(1)所求出的數值定義為膠著度以定量化燒結性(膠著度愈趨近於1.0，燒結愈硬)。
膠著度=拉特試驗後的重量/拉特試驗前的重量…(1)
如表1所示碳(瀝青碳)與木質系生質的性狀分析結果，木質系生質具有發熱量比碳低但揮發成分多之特徵，由於揮發成分燃燒係高燃燒性(燃燒速度快)，所以藉由生質的混燒可以提高燃燒性。
此外，氮(N)成分與硫(S)成分少到0.1%以下，所以生質的混燒被預測減少廢氣中的氮氧化物(NOx)、硫氧化物(SOx)。另一方面，木質系生質的灰分比碳要極少，但特徵為在高溫下會誘發灰的附著性之氧化鉀(K2
O)的含量多。
如圖4顯示膠著度與燒結溫度之關係，根據由本發明人等之試驗結果，藉由在瀝青碳A添加木質系生質使灰容易燒結(膠著度增加)，此外，於添加松30%之場合顯示與瀝青碳A同樣膠著度之溫度條件為30℃～100℃低溫被確認。
再者，圖5顯示燃灰在加熱溫度1100℃下松、橡及杉的膠著度與生質添加率之關係，並未觀察到由於木質系生質種類的不同而發生變化，但確認隨著任何木質系生質之添加率增加，灰的膠著度都提高，更具體而言，相對於瀝青碳A的灰的膠著度約0.05(參照圖4)，確認添加率50%會提高到0.6～0.7。又，如果本次使用的木質系生質之添加率為約20%以下，則預測燃灰的燒結性幾乎不會發生變化。
也針對作為其他生質之農業殘留物的稻草、木質的竹研究在30%混燒下燃灰的膠著度，並分別將這些生質的性狀顯示於表2，將膠著度顯示於圖6。與杉、橡、松的混燒灰之膠著度相比，顯示稻草混燒灰數值高、竹混燒灰數值低，認為灰組成隨生質種類的不同而有差異影響到膠著度。
此外，計算由於生質的混燒而產生的灰的結垢指標Rf及結塊指標Rs如何變化，且把該結果顯示於圖7及圖8。又，單位係灰中各成分的濃度(%)。
Rf=(Base/Acid)×Na2
O…(2)
Rs=(Base/Acid)×燃料中S…(3)
此處，Base(鹽基性成分)：Na2
O+K2
O+Fe2
O3
+CaO+MgO …(4)
Acid(酸性成分)：Al2
O3
+SiO2
+TiO2
…(5)
如圖7及圖8所示，由於木質系生質以Base為主成分，Rf值隨添加率的增加而變大，但是由於幾乎不含S成分所以Rs值變小。舉一例，在生質添加率50%下，Rf值與瀝青碳A相比為1.5倍左右，Rs值反而降低到約3/4。亦即，從前的指標可以適用的話，隨生質的添加而結垢(燃灰附著於火爐上部至後段的傳熱管)增加，但是結塊(燃灰在火爐部分的附著)反而減少。
把在燒結試驗得到的燒結灰的膠著度與Rf值及Rs值之關係顯示於圖9與圖10的話，可知燒結灰的膠著度係隨Rf值增加而提高，相對地隨Rs值增加而降低。此時，並未發現灰的燒結性與Rs值之關聯性。
Rs值係如上列式(3)所示與燃料中的S成分成正比，但碳中的S成分增加係由於Fe成分多以黃鐵礦(FeS2
)的形式存在，所以是評估Fe成分的影響而非S成分的影響之指標。
在碳燃燒鍋爐，因為結垢的主因子為會中所含的鹼性成分(Na2
O、K2
O)，而木質系生質在灰中含有K2
O特別多，由於結垢比結塊的疑慮更強，因此可以說以結塊指標來預測生質混燒時的灰害故障並不適切。
跟碳混燒灰與松、橡、杉的膠著度相比，碳混燒灰與稻草、竹子的膠著度存在差異。生質的灰組成與此有很大的關係，認為氧化鈣(CaO)、氧化鎂(MgO)的存在特別重要。
一般的碳灰中，CaO多以CaSO4
(CaO+SO3
)的化合物型態存在、MgO多以MgSO4
(MgO+SO3
)的化合物型態存在，但由於生質的灰中SO3
成分少，CaO、MgO可能單獨存在，而這CaO(熔點：2572℃)、MgO(熔點：2852℃)為高熔點，因此認為將抑制灰的燒結。
如前面說明，灰的組成隨生質的種類不同而差異很大，且由於生質的種類與添加率有可能發生灰害故障之疑慮，所以明顯必須事前的調查/檢討，根據本發明人等的銳意研究，確認藉由把生質添加到碳將提高灰的膠著度，而且隨著其混燒率增加，膠著度也提高，由於結垢指標與膠著度之明確相關性被確認，因而檢證了以膠著度作為指標來評估生質與碳混燒時產生的燃灰之附著性是極有效果的。
從而，根據前述實施例，可以再現在與試樣以相同添加率混合生質的碳而以實際的碳混燒鍋爐燃燒的場合會發生的燃灰的附著狀況，而能夠以其膠著度為指標而進行實際上的可信賴性高的評估，所以可以避免隨著燃灰的附著進行而發生傳熱阻礙或閉塞、塊狀的硬質爐渣落下導致物理的損害等灰害故障的發生，同時可在不招致灰害故障的發生的範圍內極大化設定生質的添加率而效率佳地有效利用該生質。
更具體而言，如果比較在實際的碳混燒鍋爐之燃灰附著結果與膠著度，特定出實際上的碳混燒鍋爐不會招致灰害故障的膠著度的附著安全區域的話，以膠著度收斂於附著安全區域內的方式來調整生質的添加率，可以避免灰害障礙於未然。
此處，特定出在實際的碳混燒鍋爐不會招致灰害故障的膠著度的附著安全區域時，即使膠著度相同也會隨著實際上的碳混燒鍋爐的構造等的不同而使灰害故障的發生狀況多少有所不同，而把膠著度為0.5以下的區域特定為附著安全區域的話，大致上可以避免嚴重的灰害故障。
因為根據過去的機器實際灰附著狀態的調查而得到的知識見解，膠著度比0.2更低的話則成為粉末狀之灰附著狀態，膠著度在0.2-0.4的範圍的話則成為脆而自然崩塌的程度之灰附著狀態，膠著度在0.4-0.8的範圍的話則成為用手就可輕易使之崩壞的程度之灰附著狀態，膠著度大於0.8的話則熔融後玻璃狀地堅硬地固著而成為不易崩壞之灰附著狀態，由此確認在成為用手就可輕易使之崩壞的程度的灰附著狀態之膠著度是在0.4-0.8的範圍，而膠著度為0.5以下的話就不會招致嚴重的灰害故障。
接著，針對改變生質對碳的添加率之複數試驗灰求出膠著度，把該膠著度在附著安全區域內取最大值之生質添加率評估為最適添加率的話，可在不招致灰害故障的發生的範圍內極大化設定生質的添加率並可最效率佳地有效利用該生質。
又，本發明的碳混燒鍋爐之燃灰的附著預測評估方法，並非僅以前述的實施例為限，於碳混燒鍋爐被混燒的生質亦可以為木質系以外的生質，其他，在不逸脫本發明的要旨的範圍內當然可以進行各種變更。
1:鍋爐本體
1a:火爐
1b:後部傳熱部
2:混合燃料
3:一次過熱器
4:二次過熱器
5:三次過熱器
6:最終過熱器
7:一次再熱器
8:二次再熱器
9:節碳器
10:廢氣導管
11:上部傳熱部
12:氧化鋁舟皿
13:電爐
14:氧化鋁管
15:拉特試驗機
16:圓筒形金屬網
[圖1]係顯示適用本發明的碳混燒鍋爐之一例之概略圖。
[圖2]係以本發明的方法進行試樣的燒結的電爐的概略圖。
[圖3]係顯示進行膠著度的測定的拉特試驗機之一例之正面圖。
[圖4]係顯示膠著度與燒結溫度的關係之圖。
[圖5]係顯示膠著度與木質系生質的添加率的關係之圖。
[圖6]係顯示膠著度與其他生質的添加率的關係之圖。
[圖7]係顯示Rf值與木質系生質的添加率的關係之圖。
[圖8]係顯示Rs值與木質系生質的添加率的關係之圖。
[圖9]係顯示膠著度與Rf值的關係之圖。
[圖10]係顯示膠著度與Rs值的關係之圖。
15:拉特試驗機
16:圓筒形金屬網
Claims (4)
- 一種碳混燒鍋爐之燃灰的附著預測評估方法，係把生質(biomass)作為可再生能源利用之碳混燒鍋爐之燃灰的附著預測評估方法，把對前述碳混燒鍋爐的主燃料之碳以特定的添加率混合了生質之試樣進行灰化調製試驗灰，把該試驗灰以前述碳混燒鍋爐的燃燒溫度條件燒結產生燒結灰，將該燒結灰加入拉特試驗機，由試驗後的燒結灰重量除以試驗前的燒結灰重量求出膠著度，根據該膠著度於事前評估前述碳混燒鍋爐之燃灰的附著狀況。
- 如請求項1之碳混燒鍋爐之燃灰的附著預測評估方法，其中比較在實際的碳混燒鍋爐之燃灰的附著結果與膠著度，特定出在實際的碳混燒鍋爐不招致灰故障的膠著度的附著安全區域。
- 如請求項2之碳混燒鍋爐之燃灰的附著預測評估方法，其中針對改變生質對碳的添加率之複數試驗灰求出膠著度，把該膠著度在附著安全區域內取最大值之生質添加率評估為最適添加率。
- 如請求項2之碳混燒鍋爐之燃灰的附著預測評估方法，其中把膠著度0.5以下的區域特定為附著安全區域。
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