TWI482852B - 用於從高鐵及／或鈣量的煤炭之燃燒進行熔渣控制之標定試劑注射 - Google Patents

用於從高鐵及／或鈣量的煤炭之燃燒進行熔渣控制之標定試劑注射 Download PDF

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Description

用於從高鐵及/或鈣量的煤炭之燃燒進行熔渣控制之標定試劑注射
本發明係關於一種用具有高鐵及/或鈣含量的煤炭燃燒增加燃燒室產量之方法，其係藉由降低在熱交換表面形成熔渣之趨勢及改變熔渣特性使其易於移除。
煤炭之燃燒如同其他化石燃料常常比所要求之效率低且可能成為污染源。維持燃燒室高效操作及控制排放物之品質係維持推動經濟所需之能量同時並保護吾等生存所需之空氣品質的必要條件。由於效率與排放物互相關聯，且經顯示一些技術解決方案彼此間相互競爭，故很難兩者兼顧。發電廠與焚化爐之經濟營運為公眾利益，而新技術對此工作必不可少。
燃料的選擇對減輕一些污染問題扮演重要角色，但其不能根除該等問題。一些煤炭(例如某些阿帕拉契(Appalachian)與伊利諾(Illinois)盆地煙煤)在許多經濟因素限制其他選項之為煤炭設計的工廠中相當重要。數十年來，該等高鐵含量煤炭形成熔渣之趨勢及熔渣之性質為燃燒工程師與工廠操作人員的主要顧慮。存在許多會影響熔渣之物理及化學性質的因素。例如，參見燃燒化石能(Combustion Fossil Power)，1991，Joseph G. Singer,P.E.,主編，第三章，燃燒工程(Combustion Engineering)。然而，在當今之工業，當熔渣形成成為問題時，在選擇低成本煤炭與實際的能源產生經濟性之間存在折衷方案。熔渣累積係會導致熱傳減低及經常會導致為進行清洗而長期停機之問題。
與煤炭相關聯的一問題為會形成大量須經收集及處理的灰分及細顆粒。該技術已使用添加劑來控制熔渣的形成與性質，但添加劑純就體積而言會加重所使用的固體回收系統。因此，最佳熔渣控制經常會因固體回收系統不能有效地移除全部必要之固體而受損。此尤其係較老舊工廠之一問題，其中增加固體收集容量並非選項。
使問題更複雜的係煤炭會由於其之組成而與添加劑起不同的反應。通常並沒有已知公式可使用合適的添加劑以可由固體回收設備適當處理的有效含量來解決所有不同之煤炭組合物。亟需發現個別煤炭組合物與添加劑之方案來確保可供應經濟的電力，同時並為有效的污染控制產生足夠的效益。
有需要一種為改良鍋爐效率與經濟性而更有效地控制熔渣形成的改良方法，尤其係對問題燃料，例如具有使其在熔渣形成中起增強作用之硫含量之煤炭以及具有高鐵及/或鈣含量之煤炭。
本發明之一目的為提供一種在利用有產生熔渣傾向之燃料的燃燒室內控制熔渣之改良技術。
另一目的為提供一種控制來於具高鐵及/或鈣含量的煤炭之燃燒的熔渣，同時並減少化學試劑使用之方法。
另一目的為提供一種移除由於燃燒具高鐵及/或鈣含量的煤炭而來之於鍋爐熱交換表面上的熔渣，同時並減少化學試劑使用之方法。
再另一但更特定的目的係提供一種藉由減少與移除熔渣有關的停機量而更有效地控制熔渣之方法。
本發明一些態樣之一更特定目的為在達到上述目的之同時改良燃燒室效率。
藉由本發明至少在其較佳態樣下達到此類及其他目的，其提供在燃燒室燃燒具有高鐵及/或鈣含量的形成熔渣之煤炭的熔渣控制之改良方法。
在一態樣中，本發明提供一種在燃燒室內減少熔渣黏合性及/或膠黏性，由此降低積垢速率之方法，其包括：用總體過量的氧氣燃燒具有高鐵及/或鈣含量之形成熔渣之煤炭；使生成之燃燒氣體在導致經由燃燒煤炭所形成之熔渣冷卻的條件下移動通過熱交換設備；及在與該熱交換設備接觸之前，以可有效降低積垢速率，及較佳地增加生成熔渣之脆性之量及液滴大小與濃度引入三氫氧化鋁水溶液。
在一較佳態樣中，三氫氧化鋁試劑係以含水液體之形式引入，且使用計算流體力學來決定流率與選定的試劑引入速率、試劑引入位置、試劑濃度、試劑液滴大小及/或試劑動量。
在另一較佳態樣中，連同三氫氧化鋁漿液以含水漿液形式引入氫氧化鎂。
在另一態樣中，本發明提供一種用於清洗具有熔渣堆積之熔爐表面的方法，其係藉由以可有效使由乾燥漿液所形成之細顆粒與存在之熔渣沉積物接觸的量及液滴大小與濃度引入三氫氧化鋁水溶液。
在另一態樣中，本發明提供一種清洗與維護燃燒室之方法，其包含起始投與約3至6磅ATH/噸煤炭與約1至2磅Mg(OH)2 /噸煤炭歷時一段足以減少熔渣之時間，接著減少投與為起始值之約10至約50%以維持燃燒室潔淨及有效操作的方案。
其他較佳態樣及其等之優勢在以下描述中陳述。
首先參看圖1，其為本發明一實施例之簡圖。圖1顯示一大燃燒室10，其係用於產生發電用蒸汽、製程蒸汽、加熱或焚化之類型。煤炭經燃燒器20與20a供料而在燃燒帶21中藉由空氣燃燒。本發明之一優勢為煤炭係高鐵(例如，基於灰分的重量並以Fe2 O3 表示，鐵含量大於約15%，例如，從約20至35%)及/或鈣含量(例如，基於灰分的重量並以CaO表示，鈣含量大於5%，例如，從約10至25%)。本發明另一優勢為即使煤炭具有大量硫含量，例如，超過約1%及在約3至約5%範圍內，亦可有效地控制熔渣。此處，及在全篇說明中，所有份數與百分比係按重量計。
燃燒用之空氣，由風扇22及通風管24供給，較佳經氣對氣熱交換器(未顯示)預熱，該熱交換器在燃燒室出口端處從通風管轉移熱量(未顯示)。熱的燃燒氣體上升並流動通過熱交換器26，其將熱量從燃燒氣體轉移至水用於產生蒸汽。根據特定鍋爐之設計，亦可設置其他熱交換器，包含節能器(位在下游且未顯示)。殘留未經處理的熔渣將傾向於形成在此等熱交換器表面上，此等熱交換器表面基於對個別位置之重要設計考慮係設置在特定的燃燒室內。本發明之一優勢為使用模擬技術(例如計算流體力學)於起始將處理化學試劑(尤其係經識別為對根據本發明之特定種類煤炭有效的試劑)引導至最佳位置以降低及/或控制熔渣堆積及維持鍋爐的有效操作。
提供一系列位於每一噴嘴庫30與30a中之適宜(較佳為空氣輔助霧化)之噴嘴，其用於分別從貯器40與40a中引入單獨的三氫氧化鋁或連同氫氧化鎂漿液。ATH與氫氧化鎂兩者較佳係適當地為水溶液、漿液及/或溶液。在圖中供料線(如41)係以雙線顯示。閥(如42)係以常用符號()表示，而溫度感測器(如44)係以常用符號()表示。閥42與溫度感測器44兩者經由以虛線顯示之電導線(如48)與控制器46連接。此等閥、溫度感測器與導線僅係例示性，技術工作者使用本文概述之原則當可策略性地設置其等以提供適宜的控制信號與回應。該控制器46可為與具有前饋及反饋特徵之預定控制方案協調程式化的通用數位電腦。
根據本發明已發現可有效地大大減少熔渣之沉積或從棘手的煤炭類型清洗沉積熔渣的三氫氧化鋁(Al(OH)3 )亦知有諸如ATH、氫氧化鋁與水合氧化鋁之其他名稱。無論三氫氧化鋁原料之形式為何，最好將其與水混合以從貯器40通過相關管線41引入達到適於儲存與處理之濃度(有或無化學安定劑)，例如按重量計為至少約25%，及較佳至少約65%固體。
如將描述，濃度與流率將由模擬初步決定，以確保以合適的物理形式將適量之化學試劑供應於燃燒室內之合適位置，以獲得減少熔渣形成與使淨化容易之期望結果。為使用於方法中，如(例如藉由計算流體力學(CFD))所決定，將其稀釋至約0.1至約10%之範圍內，更嚴格地為約1至約5%。當三氫氧化鋁水溶液在燃燒室內與熱氣體接觸時，據信其經減小為極小顆粒，例如奈米尺寸顆粒(如小於200奈米且較佳小於約100奈米)。50至約150奈米之中間粒度係本發明方法之有用範圍。為接近於此大小，重要的係連同水引入ATH。據信該等小顆粒會瓦解形成熔渣之一般晶體或玻璃。無論所涉及之機制為何，本發明之一顯著優勢為形成的熔渣極其脆性且可用刷輕易破壞及可用手壓碎。
本發明之一重要優勢為形成熔渣的脆性增加，而使其更易去除。本發明亦減緩或除去熔渣之堆積。有利地，在高劑量下，本發明實際上可去除已形成之熔渣。術語「增加熔渣之脆性」意指處理後的熔渣較在相同情況下形成而未經處理之熔渣每單位面積需要更少的力來壓碎。術語「去除熔渣」意指黏附於鍋爐(尤其係熱交換器)表面的熔渣重量藉由本發明之處理從起始值降低。本發明有若干額外及補充的優勢，包含減少高硫煤炭之SO3 、減少通過熱交換設備的壓降、可使用較低成本煤炭、較低CO生成、較少因增加燃料消耗所致之CO2 生成、較佳熱傳、較少停機時間、較高輸出量、線上清洗、較乾淨的熱交換表面、可清洗整個燃燒室及可以較大效率在全負荷下運行。
針對大多數煤炭之方法以ATH與氫氧化鎂之組合實施最好。雖然可燃燒某些煤炭(例如，具低矽酸鹽組合物)而減少因熔渣引起的問題，但至少開始時較佳使用氫氧化鎂。氫氧化鎂試劑可較佳由含有鈣及其他鹽類之鹽水(其通常來自地下鹽水池或海水)製得。將白雲質石灰與此等鹽水混合以形成氯化鈣溶液，然後從溶液中沉澱及過濾出氫氧化鎂。可將此形式之氫氧化鎂與水混合(有或無安定劑)達到適於儲存與處理之濃度，例如25至65重量%固體。為使用於方法中，如藉由計算流體力學(CFD)所決定，將其稀釋至0.1至10%範圍內，更嚴格地為1至5%。當其在燃燒室內與排出物接觸時，據信其經減至奈米尺寸顆粒，例如小於200奈米及較佳小於約100奈米。50至約150奈米之中間粒度係本發明方法之有用範圍。在有必要或有須要之情況下亦可使用其他形式之MgO，例如當可以期望粒度範圍取得時，可使用「輕燒(light burn)」或「苛性」。
為更好地獲得此類效果，本發明將較佳利用CFD來計畫起始流率及選定起始試劑引入速率、試劑引入位置、試劑濃度、試劑液滴大小及試劑動量。CFD係一門已充分理解之科學，及其以全部益處用於需要供應最小量之化學試劑以達到最大功效之情況下。
應指出低於化學計量之化學試劑的量就影響熔渣之熔點而言極其重要，通常認為其係熔渣控制中之控制因素。根據本發明，除使用相對少量之試劑以外，有很好的證據說明本發明之結果起因於熔渣形成之物理破壞與未經文獻解釋之可能的邊界化學及動力學效應。
實驗顯示，可利用由CFD所決定之起始進料速率而得良好的效果，然後基於觀察結果對其作調整。供進料速率作參考，對燃燒室進行類似於以下一範例之操作達到最好經濟性之起始進料速率可高達約6磅ATH(以乾燥活性ATH)或8磅(以65-70%漿液)/噸煤炭。例如，當以較佳70%之漿液加入時，約1至約6磅漿液之量將有效(更嚴格言之，例如約2至約3磅漿液)。最好亦使用高達約2磅Mg(OH)2 漿液(約50-60%固體)/噸煤炭。例如，當以較佳60%之漿液加入時，可利用約0.5至約2磅Mg(OH)2 漿液/噸煤炭之量(例如約0.7至約1磅Mg(OH)2 漿液/噸煤炭)。視需要將漿液稀釋至一般用於較小應用之約5%至約35%或更多之固體濃度。
黏附於燃燒室(尤其係熱交換器)表面的熔渣重量藉由本發明之處理有效地從起始值降低，尤其係當ATH與Mg(OH)2 係以在上述範圍內之高濃度下使用時，例如約3至6磅ATH/噸煤炭及約1至2磅Mg(OH)2 /噸煤炭。此去除熔渣之能力提供供應一種清洗與維護方案之能力，該方案中起始投與係如方才關於去除熔渣所提，然後將該投與減至起始值之約10至約50%以維持燃燒室清潔及有效操作。
對於根據本發明之最佳熔渣矯正，必須對三氫氧化鋁(與較佳視需要的氫氧化鎂)之有效物理形式計算及使用將引入至室20內的熱燃燒氣體中之合適的起始濃度、速率與引入速率，以使加入之化學試劑能達到期望效果。對本發明實行CFD可如Smyrniotis等人在美國專利第7,162,960號中所提出而完成。可使用顆粒去除設備(未顯示)以在排出物通過煙囪之前去除顆粒。
在本發明之另一替代形式中，可將燃燒觸媒及/或排出物處理化學試劑加入至燃料、燃燒區或其他處，例如Smyrniotis等人在美國專利第7,162,960號中所述。
以下實例經呈現以進一步解釋及闡釋本發明，不應將其在任何方面視為限制性。除非特別指明，否則所有的份數與百分比皆按重量計。
實例1
本實例說明在每天燃燒540噸煤炭之熔爐內引入三氫氧化鋁。煤炭為伊利諾盆地與阿帕拉契煙煤之混合物，其組合之分析如下：
對於實驗，將Al(OH)3 (三氫氧化鋁漿液或簡稱ATH)以70重量%含水漿液以5磅漿液/噸消耗煤炭之速率從三個空氣冷卻噴嘴之兩庫進料，該三個空氣冷卻噴嘴係位在與粉煤燃燒器之兩庫相對之壁上，粉煤燃燒器之一庫位在兩個燃燒器中間之高度而另一庫位在最上面之煤炭燃燒器之上方高度。將漿液稀釋至35重量% ATH之濃度。稀釋前ATH漿液之密度約為14磅/加侖，意指ATH漿液之進料速率約為193加侖每天(約5磅/噸煤炭)。
基於本實驗，估計此特定燃燒室之有效進料速率將為約1至約6磅ATH漿液/噸煤炭，例如約2至約3磅/噸。
實例2
本實例說明除於實例1中進料的三氫氧化鋁以外，再在每天燃燒540噸煤炭之熔爐內引入Mg(OH)2 (氫氧化鎂)之作用。煤炭為如於實例1中所述之伊利諾盆地與阿帕拉契煙煤之混合物。
將氫氧化鎂以漿液以2磅50至60重量%漿液/噸消耗煤炭進料。氫氧化鎂漿液之密度大約為12磅/加侖。因此，Mg(OH)2 漿液之進料速率為約90加侖每天。如前，吾人以約5磅漿液/噸消耗煤炭進料三氫氧化鋁漿液。ATH密度約為14磅/加侖，其使ATH進料速率約為193加侖每天。
基於此實驗，吾人估計此特定燃燒室達到最大經濟性之最佳進料速率為約0.5至約2磅Mg(OH)2 漿液/噸煤炭(例如約1磅/噸)加上約1至約6磅ATH漿液/噸(例如約2至約3磅/噸)。圖2為僅ATH進料24小時操作後獲得之熔渣樣品之照片。熔渣出乎意料的脆性。
上述說明書之目的為傳授一般技術者如何實踐本發明。不希望詳述所有彼類明顯的修改與變化，其對讀過本說明書的技術工作者將係明顯可見。然而希望所有該類明顯的修改與變化係包含於由以下申請專利範圍所定義之本發明之範疇內。除非文中另作明確的相反指示，否則申請專利範圍意欲涵蓋可有效達到所希望目的之以任意順序存在之所主張之組件與步驟。
10．．．燃燒室
20、20a．．．燃燒器
21．．．燃燒帶
22．．．風扇
24．．．通風管
26．．．熱交換器
30、30a．．．噴嘴庫
40、40a．．．貯器
41．．．供料線
42．．．閥
44．．．溫度感測器
46．．．控制器
48．．．電導線
當結合附圖閱讀以上的詳細說明時，可更好地理解本發明及其之優勢將變得更加明顯，其中：
圖1為本發明之一實施例之簡圖；
圖2為如以上實例2所提出在將三氫氧化鋁引入至用高鐵含量煤炭操作的燃燒室內操作24小時後所得熔渣樣品之照片。
10．．．燃燒室
20、20a．．．燃燒器
21．．．燃燒帶
22．．．風扇
24．．．通風管
26．．．熱交換器
30、30a．．．噴嘴庫
40、40a．．．貯器
41．．．供料線
42．．．閥
44．．．溫度感測器
46．．．控制器
48．．．電導線

Claims (5)

  1. 一種用於減少燃燒室內熔渣黏合性及/或膠黏性由此降低積垢速率之方法，其包括：用總體過量的氧氣燃燒具有基於灰份的重量並以Fe2 O3 表示之大於約15%之鐵含量及/或基於灰份的重量並以CaO表示之大於5%之鈣含量的形成熔渣之煤炭；使生成之燃燒氣體在導致經由燃燒燃料所形成之熔渣冷卻的條件下移動通過熱交換設備；及在與在燃燒室中該熱交換設備接觸之前，於該燃燒室中之熱燃燒氣體中引入三氫氧化鋁含水液體試劑，其係以可有效在該熱燃燒氣體中形成小於200奈米之奈米顆粒及降低熔渣積垢速率與增加生成熔渣之脆性之量及液滴大小與濃度之方式引入三氫氧化鋁含水液體試劑。
  2. 如請求項1之方法，其包含進一步以計算流體力學來決定起始試劑引入速率、引入位置、濃度、液滴大小及動量之值。
  3. 如請求項1之方法，其中該方法進一步包含以可有效形成小於200奈米之奈米顆粒及降低熔渣積垢速度之量及液滴大小與濃度引入氫氧化鎂水溶液。
  4. 如請求項1之方法，其中該方法包括引入高達約6磅三氫氧化鋁漿液/噸煤炭與高達約2磅Mg(OH)2 /噸煤炭。
  5. 一種清洗與維護燃燒煤炭之鍋爐之方法，其中該煤炭具有基於灰份的重量並以Fe2 O3 表示之大於約15%之鐵含量及/或基於灰份的重量並以CaO表示之大於5%之鈣含量， 其包括起始投與約3至6磅三氫氧化鋁含水漿液/噸煤炭與約1至2磅氫氧化鎂含水漿液/噸煤炭歷時一段足以減少熔渣之時間，接著減少投與為起始值之約10至約50%以維持燃燒室潔淨及有效操作的方案，其中可有效形成小於200奈米之奈米顆粒及降低熔渣積垢速率之液滴大小及濃度引入三氫氧化鋁含水漿液及氫氧化鎂含水漿液。
TW098123559A 2008-07-11 2009-07-10 用於從高鐵及／或鈣量的煤炭之燃燒進行熔渣控制之標定試劑注射 TWI482852B (zh)

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