TWI822774B - 用於控制流體化床鍋爐中的床燒結之方法 - Google Patents
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Abstract
本揭示關於流體化床鍋爐和用於控制床聚結的方法，當含有大量磷的生物質用作燃料時，床聚結可以發生。將含鐵化合物如氧化鐵加入到流體化床中以捆綁以針對流體化床鍋爐的典型操作條件下不會反應的形式的磷。
Description
本揭示關於用於控制流體化床鍋爐中的床聚結的系統和方法。
本揭示關於用於控制、減少和/或防止流體化床鍋爐中的床聚結的系統和方法。特別地，當使用含有大量磷的生物質燃料時，這些系統和方法是有用的。
在燃燒期間，燃料中的化學能在鍋爐的爐內被轉換成熱能。透過鍋爐中的吸熱表面捕獲熱量以產生蒸汽。
固體生物質廢物副產物越來越多地用作發電燃料，因為生物質是可再生能源。然而，與木質生物質相比，一些農業生物質燃料具有顯著更高量的元素，例如磷(P)、硫(S)和鹼，例如鉀(K)和鈉(Na)。磷、鉀和鈉在鍋爐的還原區中具有中等至高的蒸氣壓，因此，透過形成最終
塗覆床顆粒形成黏性層的氣相物質，可以具有促進床燒結和聚結的強烈傾向。對於富含鹼(Na和K)、鈣(Ca)、二氧化矽(Si)和磷(P)的燃料，如農業廢棄物和殘留物等，形成金屬磷酸鹽(如磷酸鉀和磷酸鈣)並且鹼金屬矽酸鹽(例如矽酸鈉)可以導致較低的灰熔點溫度，這反過來可以促進床顆粒的快速燒結或聚結。床聚結可限制這種農業生物質燃料用於加熱和發電的用途。
期望提供可用於從這種生物質廢物副產物中獲得有用能量的系統和方法。
本揭示關於用於控制流體化床鍋爐中的床聚結的系統和方法，其可以在使用高磷和鹼含量的農業生物質燃料時發生。在燃燒期間將含鐵化合物加入到流體化床中。從生物質釋放的磷與鐵反應，形成鐵磷酸鹽，其反應性較低並且具有比典型流體化床操作條件高得多的熔融溫度。這也導致床聚結溫度的淨增加。
本文在各種實施方式中揭示了當生物質燃料燃燒時減少流體化床鍋爐中的床聚結的方法，包括：將至少一種含鐵化合物添加到流體化床鍋爐的流體化床中。
所述至少一種含鐵化合物可以是氧化鐵(II)；氧化鐵(III)；鹵化鐵(II)；鹵化鐵(III)；碘酸鐵(III)；或碳酸鐵(II)。
所述至少一種含鐵化合物可以是水溶性的，
並以溶液的形式被加入。或者，所述至少一種含鐵化合物可以是水不溶性的，並以懸浮液或乳液的形式被加入。
生物質燃料可以是玉米稈、柳枝稷、芒或混種楊樹。生物質燃料可具有約30%至約60%的水分含量。
流體化床鍋爐可以在約1200℉至約2000℉(約648℃至約1093℃)的溫度下操作。在特定實施方式中，流體化床鍋爐的主要區域中的空氣/燃料化學計量小於1，並且在一些實施方式中，空氣/燃料化學計量為約0.4至約0.5。流體化床可包含二氧化矽、氧化鋁或鈣。
在一些實施方式中，所述至少一種含鐵化合物可以以至多12wt%的生物質燃料的量添加到流體化床中。在其它實施方式中，將至少一種含鐵化合物以每莫耳(氧化鈉+氧化鉀+磷氧化物)至多3莫耳的量加入流體化床中。在其他實施方式中，至少一種含鐵化合物可以以每莫耳(Na2O+K2O+P2O5)至多3莫耳的量加入流體化床中。
所述至少一種含鐵化合物可與生物質燃料混合在一起，並因此與生物質燃料同時加入流體化床鍋爐的流體化床中。或者，可以透過生物質燃料進料點處或附近的端口注入至少一種含鐵化合物。在其他實施方式中，可以將至少一種含鐵化合物注入流體化床的底部。
可以將至少一種含鐵化合物添加到含有高嶺土的流體化床鍋爐中。
本文進一步討論了本揭示的這些和其他非限制性態樣。
8:流體化床(BFB)鍋爐
10:鼓泡床、流體化床
12:燃料
14:進料器
16:管壁
17:管壁
18:管道
20:泡罩
22:底部灰分去除系統
24:底部漏斗
302:爐管壁
304:流體化床
310:雙相進料器、燃料進料器
320:斜槽
322:頂端
324:底端
325:固體進料路徑
330:基部
340:氣體分配噴嘴
350:次級端口
360:板
400:流體化床鍋爐
410:流體化床
417:水冷壁
414:燃料進料器
418:空氣管道
424:底部漏斗
430:深色箭頭
440:過熱器
442:再熱器
444:經濟器
450:空氣預熱器
452:管線/管道
454:二次空氣端口
以下是圖式的簡要描述，圖式是出於說明本文揭示的實施方式的目的而呈現的，而不是為了限制本發明。
圖1示意性地示出了已知設計的示例性鼓泡流體化床(bubbling fluidized-bed；BFB)鍋爐。
圖2是燃料進料器的橫截面透視圖，其可用於進料生物質燃料和將添加劑注入流體化床鍋爐。
圖3是說明本揭示的一些其他態樣的流體化床鍋爐的示意圖。
圖4是床聚結溫度與注入床中的氧化鐵量的關係圖。y軸為攝氏度，並且以25℃的間隔從800℃至950℃。x軸是每莫耳(Na+K+P)氧化物的氧化鐵莫耳數，並且以0.5的間隔從0到3。
圖5是流體化床中磷的wt%與注入床中的氧化鐵的量的柱狀圖。y軸為wt%，並且以0.10的間隔從0.00到0.30。柱從左到右為基線(即0)、4wt%Fe和8wt%Fe(以燃料的重量計)。
儘管為了清楚起見在以下描述中使用了特定術語，但是這些術語僅旨在表示在圖式中選擇用於說明的實施例的特定結構，並且不旨在限定或限制披露。在下面
的圖式和以下描述中，應理解，相同的數字標記指的是具有相同功能的部件。
透過參考所需實施方式的以下詳細描述和其中包括的實施例，可以更容易地理解本揭示。在下面的說明書和隨後的申請專利範圍中，將參考許多術語，這些術語應被定義為具有以下含義。
除非上下文另有明確規定，否則單數形式“一”，“一個”和“該”包括複數指示物。
本文使用的術語“包含”是指需要存在所述部件/步驟並允許存在其他部件/步驟。術語“包含”應該被解釋為包括術語“由...組成”，其允許僅存在所述部件/步驟。
數值應該被理解為包括當被減少到與有效數字和數值相同數量時的相同的數值，其與所述值相差小於本案所述類型的傳統測量技術的實驗誤差以確定該值。
本文揭示的所有範圍包括所述端點並且為可獨立聚結的(例如，“2克至10克”的範圍包括範圍端點的2克和範圍端點的10克，以及其所有在中間的值)。本文揭示的範圍和任何值的端點不限於精確的範圍或值；它們充分地不精確以包括近似這些範圍和/或值的值。
與數量結合使用的修飾語“約”包括所述值並且具有由上下文指示的含義。當在範圍的上下文中使用時，修飾語“約”也應被視為揭示由兩個端點的絕對值定義的範圍。例如，“約2至約10”的範圍也揭示了“從2到
10”的範圍。術語“約”可以指所示數字的正負10%。例如，“約10%”可表示9%至11%的範圍，“約1”可表示0.9-1.1。
這裡使用的一些術語是相對術語。例如，術語“上”和“下”在位置上彼此相對，即上部部件位於比下部部件更高的高度。術語“入口”和“出口”是相對於相對於給定結構流過它們的流體，例如，相對於給定結構。流體透過入口流入結構並從結構流出出口。
在某種程度上，可能需要解釋鍋爐和/或蒸汽產生器領域的某些術語或原理以理解本揭示，讀者可參考蒸汽/其產生和使用，第42版，由GL Tomei於2015編輯，Babcock & Wilcox公司的版權，ISBN 978-0-9634570-2-8，其內容在此引入作為參考，如同在此完全闡述一樣。
習知地，煤粉已被用作用於發電的鍋爐的燃料。然而，由於擔心二氧化碳排放和轉向可再生能源的願望，生物質的使用不斷增長。生物質被認為是CO2中性的。流體化床鍋爐，例如鼓泡流體化床鍋爐或循環流體化床鍋爐，由於其在廣泛的燃料性質上的操作靈活性，特別適用於生物質燃料。
一般而言，流體化床鍋爐包括由堆疊高度的固體顆粒形成的床。流體化氣體分配格柵位於床下方，流體化氣體分配格柵例如開放式底部系統或平底系統。開放式底部系統的特徵在於寬間隔的分配管道，在該分配管道
上安裝有氣泡蓋，用於在壓力下分配流體化氣體(典型地是空氣)以使床流體化。在平地板系統中，分配管道形成鍋爐的底板。在足夠的氣體速度下，固體顆粒表現出類似液體的性質。在鼓泡流體化床鍋爐中，床和上面的空間之間有明顯的床層和明顯的過渡。在循環流體化床鍋爐中，氣體速度足以使床顆粒從爐中吹出。隨後將床顆粒從氣體中捕獲/分離，然後再循環回爐中。
圖1示出了已知設計的示例性鼓泡流體化床(BFB)鍋爐8(可從美國俄亥俄州巴伯頓的Babcock & Wilcox公司獲得)。該設計包括鼓泡床10、燃料12透過進料器14輸送到鼓泡床10上。流體化床10適當地包括固體顆粒，例如沙子。氣密爐煙道(僅示出其下部)包括由管構成的氣密的管壁16、管壁17，其中水流過該等管以冷卻該等壁。諸如空氣的流體化氣體透過管道18被引入到鼓泡床10中，並且間隔開的泡罩20有助於去除大的流動物材料。在底部灰分去除系統22中，雜質材料向下移動並在透過底部漏斗24去除到合適的傳送系統等(未示出)之前冷卻。來自流體化床10上的燃燒的熱量加熱壁管16、壁管17中的水，這可以驅動蒸汽產生器或其他有用功。在一些實施例中，管壁16、管壁17中的水在閉環再循環路徑(通常包括補給水管線)中流動。進料器14可以通過非水冷耐火爐壁(例如，磚爐壁)而不是如圖1的說明性實施例中的管壁16，或透過任何其他類型的鍋爐壁。預期到的是進料器14所通過的爐壁包括附加特徵，例如隔熱材料、外殼等。
傳統上，木質的生物質源用於燃料，但是現在也使用其他類型的生物質燃料源。較新的生物質燃料主要以農業為主，可以包括廢物，如玉米稈(包括玉米稈利用產生乙醇的副產品)或特別種植的短輪伐能源作物，如柳枝稷、芒和混種楊。這些基於農業的生物質燃料被認為是低等級燃料，因為它們具有較高的水分含量(例如約30%至約60%)和較高的灰分含量。這些基於農業的生物質材料的另一個共同因素是，與木質生物質材料相比，它們具有顯著更高量的磷(P)、硫(S)和鹼性元素，例如鉀(K)和鈉(Na)。
在燃燒過程中，由於它們的中等至高蒸氣壓，磷、鉀和鈉將具有透過形成氣相物質促進床燒結和聚結的強烈傾向，所述氣相物質最終將塗覆床顆粒並形成黏性或黏性層。此外，某些金屬磷酸鹽(例如磷酸鉀和磷酸鈣)和鹼金屬矽酸鹽(例如矽酸鈉)的形成可導致較低的灰熔點溫度，這也促進床顆粒的快速燒結或聚結。
因此，希望控制P、Na和K的氣相物質與床料的反應，以降低床的聚結。這也將有助於降低流體化床需要被排出並且新的物資需要被添加的速率，從而降低流體化床鍋爐的運行成本。
流體化床顆粒的聚結或燒結是閾值現象。聚結或燒結主要是四個因素的函數：溫度、組成、粒徑和接觸持續時間。可能發生兩種不同的顆粒聚結或燒結機制。典型地，流體化床顆粒可主要由二氧化矽(砂)、氧化鋁(煅
燒的燧石)或鈣(石灰石)組成。當鹼性成分(例如鈉或鉀)沉積在床顆粒的表面上時，由於在表面上形成低熔點低的共熔化合物的區域，例如Si-Ca-K，表面會變得“發黏”。如果顆粒表面變黏，則顆粒可能黏在一起。這種黏合機制典型地被描述為燒結。其他因素有助於燒結機制。環境溫度強烈影響燒結過程。如果操作溫度低於表面上物質濃度的相應共熔溫度，則表面將保持“硬”，並且不太可能發生燒結。如果允許床顆粒在停滯條件下長時間保持彼此接觸，則將促進燒結。較小的顆粒傾向於更容易燒結，並且更難以透過攪拌或流體化而分裂。如果床的工作溫度明顯高於共熔點，即使只是短暫接觸的大顆粒也會燒結。如果操作溫度更接近(或在某些情況下小於)共熔溫度，但顆粒被允許在停滯條件下(例如，部分負載操作過夜)彼此接觸，則顆粒也會燒結，並且當試圖重新流體化床時，顆粒將變得困難分離。
在另一種聚結機制中，如果顆粒的整個表面完全被低熔點的共熔化合物塗覆，則塗層可以用作間隙“膠”並且顆粒將聚結。控制該機制的床聚結的最佳方法是吹掃床料以控制聚結物質的總濃度低於床中的閾值準位(例如床重量的5%)。
先前已將額外的鈣添加到流體化床中以捕獲磷酸鈣鉀形式的磷。磷酸鈣的熔點高於磷酸鉀，據稱它在床操作溫度下不會熔化。然而，流體化床典型地在還原條件(即高一氧化碳)下操作，這將導致磷酸鈣鉀釋放氣相
磷。接下來，當存在硫時，鈣將優先與硫反應，這增加了必須添加的鈣的量。最後，已知鈣催化NOx產生，這也是不期望的。
還應該記住，當使用生物質燃料時，流體化床鍋爐的爐中的操作條件與使用煤粉時的操作條件顯著不同。
煤粉爐通常在高於3000℉(1649℃)的溫度下操作。在3000℉時，煤灰中幾乎所有鹼(Na、K)或磷都蒸發成氣相。相反地，本揭示的流體化床鍋爐典型地在約1200℉至約2000℉(約648℃至約1093℃)的溫度下操作。在1550℉時，只有選擇的Na和K化合物會分解；因此，這些鹼性物質在氣相中的濃度較低，並且其捕獲的驅動力(濃度梯度)也較低。氣相中Na、K和P濃度的這種差異將影響可用於捕獲這些種類的處理。
另外，流體化床爐的下部典型地具有還原氣氛(即低氧，高一氧化碳濃度)，煤粉爐的下部也是如此。與氧化條件相比，在還原性氣氛條件下，灰熔融溫度和共熔溫度相當低。例如，根據煤的類型，在還原條件下的灰初始變形溫度比在氧化條件下低80℉至340℉。
流體化床還可以在顯著較低的主要區域化學計量下操作，因為流體化床提供了比煤粉燃燒器本質上更穩定的燃燒環境。煤粉爐中的主燃燒區中的空氣/燃料化學計量典型地為約0.7至約0.8以維持穩定燃燒，而流體化床爐的主要區域中的空氣/燃料化學計量典型地小於1並且
在特定實施方式中，為約0.4至約0.5。
最後，在煤粉燃燒中，添加劑和煤粉共同燃燒並且並流地透過燃燒區。添加劑可以自由地結合鹼性物質而不會與其他顆粒競爭。然而，在流體化床中，存在相當大量的床材料，其可能會使添加劑結合或提供可與鹼物質反應的競爭表面區域，從而抑制添加劑的有效性。在這種情況下，可能需要更高的化學計量比的添加劑以實現捕獲反應性鹼物質的相同效果。
因此，本揭示關於用於控制流體化床鍋爐中的床聚結的系統和方法，其可以在使用高磷和鹼含量的農業生物質燃料時發生。簡而言之，在燃燒過程中將含鐵化合物作為添加劑加入到流體化床中。從生物質釋放的磷與鐵反應，形成鐵-磷合金，其反應性較低並且具有比典型流體化床操作條件高得多的熔化溫度。這也導致床聚結溫度的淨增加。
含鐵化合物通常可以是任何能夠在流體化床鍋爐的燃燒環境中還原的鐵化合物。這些包括鐵(II)氧化物；氧化鐵(III)；鐵(II)鹵化物；鐵(III)鹵化物；碘酸鐵(III)；和碳酸鐵(II)。具體實例包括Fe2O3；Fe3O4(可寫作FeO.Fe2O3)；FeO,FeCO3；FeBr2；FeBr3；FeCl2；FeCl3；以及Fe(IO3)3。也可以使用這些含鐵化合物的任何聚結。這些含鐵化合物中的任何一種都可以以水合或非水合形式使用。值得注意的是，鹵化物也可用於控制汞排放。
一種或多種含鐵化合物可以以粉末形式、溶
液形式、水性懸浮液形式或其聚結的形式提供。含鐵化合物應具有合適的粒徑，以促進更高程度的反應性。例如，約95%的顆粒具有小於約400μm(微米)的粒徑、小於約350μm的粒徑、小於約300μm的粒徑、小於約250μm的粒徑、小於約200μm的粒徑、或甚至小於約175μm(微米)的粒徑。
含鐵化合物可以是水溶性的或水不溶性的。在特定的實施方式中，將水溶性含鐵化合物以溶液的形式加入到流體化床中。在其他實施方式中，水不溶性含鐵化合物可以懸浮液或乳液的形式加入到流體化床中。
可以將含鐵化合物與生物質燃料一起添加/混合，然後與生物質同時添加到流體化床鍋爐的流體化床中。這將使含鐵化合物靠近燃料，因為活性物質被釋放作為蒸汽。在其他實施方式中，含鐵化合物可以透過在生物質燃料進料點處的端口或透過與生物質燃料進料點相鄰的端口注入流體化床中。這將使含鐵化合物分佈在越過流體化床的平面區域(與生物質燃料一起)，以適應焦炭燃燒中蒸汽鹼性部件的潛在釋放。這還允許含鐵化合物的進料速率具有更大的靈活性，其可以獨立於生物質燃料進料速率被調整。如果流體化床中的操作條件意外地改變，這允許對含鐵化合物進行即時調整。在其他實施方式中，可以將含鐵化合物注入流體化床的底部。這可以透過注入通氣噴嘴(即圖1的管道18)或透過與空氣通氣噴嘴相鄰的噴嘴來完成。該方法將含鐵粉末均勻地分佈在整個流體化床中。
含鐵化合物可以以大於0wt%且最多12wt%的生物質燃料的量添加到流體化床中，包括例如1wt%至8wt%。或者，含鐵化合物可以以每莫耳(氧化鈉+氧化鉀+磷氧化物)大於0莫耳且最多3莫耳的量加入到流體化床中，包括每莫耳(氧化鈉+氧化鉀+磷氧化物)約0.25莫耳至3莫耳或0.25莫耳至約0.50莫耳。更特別地，含鐵化合物可以以每莫耳(Na2O+K2O+P2O5)大於0莫耳且最多3莫耳的量加入到流體化床中，包括每莫耳(Na2O+K2O+P2O5)約0.25莫耳至3莫耳或0.25莫耳至約0.50莫耳。
含鐵化合物可以以鐵-磷合金的形式去除氣相磷，其可以含有氧或不含氧。鐵結合的磷化合物不易浸出。氧化形式的含鐵化合物是較佳的；元素鐵易於在鐵表面形成碳，這可以抑制磷的捕獲。此外，與鐵化合物(例如氧化鐵)締合和/或結合的磷比與鈣化合物(例如氧化鈣)締合和/或結合的磷更穩定。這也實質減少了含鈣/磷/氧的化合物的量，從而釋放出鈣化合物以與SOx反應並減少SOx排放。
由於添加含鐵化合物，與基線數據相比，床聚結溫度可以增加5℃至超過50℃(9℉至90℉)(取決於關於增加的數額)。
圖2是可用於本揭示的雙相進料器310的說明性實施例的側剖視圖。燃料進料器310穿過形成在爐管壁302中的開口，為了代表性目的，僅用一個管示出。或者，燃料進料器310可以穿過耐火(例如磚)爐壁或其他類
型的鍋爐壁。燃料進料器310包括傾斜斜槽320，一組氣體分配噴嘴340和一組次級端口350。板360限定燃料進料器310的基部330。傾斜斜槽320具有頂端322和底端324，底端靠近燃料進料器(即板)的基部330。固體燃料沿著從頂端322到底端324並進入鍋爐的固體進料路徑。氣體分配噴嘴340位於燃料進料器310的基部330處並將氣體引導到固體進料路徑325中。氣體通常是空氣，但它也可以是富氧或貧氧氣流。經由氣體分配噴嘴340注入的氣體用於將透過斜槽320供給的生物質燃料分配在流體化床304上。
這裡示出的第二端口350可用於將含鐵化合物注入流體化床中。這裡，次級端口350位於基座330下方，使得板360將次級端口350與氣體分配噴嘴340分開。這減小了由氣體分配噴嘴340注入的氣體對由次級端口350所注入的含鐵化合物的分散的影響。這些端口位於生物質燃料進料點處，其中生物質燃料將與含鐵化合物將行進至流體化床平面區域的路徑相交。如果生物質燃料和含鐵化合物落在同一計劃區域中，則端口與生物質燃料供給點“相鄰”，但是它們到計劃區域的路徑不會相交。
圖3是流體化床鍋爐400的示意圖，其用於說明本揭示的操作方法的一些態樣。最初，鍋爐包括流體化床410。用於構成流體化床的顆粒可包括例如二氧化矽(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)或石灰石(CaCO3)。流體化床被水冷壁417包圍。示出了三個燃料進料器414，用於將燃料供給流體化床。空氣管道418提供用於使床材料流體化的空
氣，並且底部漏斗424用於去除床材料以用於各種目的。
流體化床在約1200℉至約2000℉(約648℃至約1093℃)的溫度下操作。煙道氣路徑由深色箭頭430示出。來自煙道氣的熱能透過過熱器440、再熱器442和經濟器444捕獲。然後煙道氣通過空氣預熱器450。如果需要，離開鍋爐的煙道氣可以再循環作為流體化床的流體化介質。如此處所示，通過空氣預熱器450的一些煙道氣可以經由管線/管道452重定向到空氣管道418。煙道氣再循環可以用於控制流體化強度和主區域化學計量，同時保持目標溫度流體化床。與空氣相比，煙氣具有低得多的氧濃度，並且改變流體化氣體中煙道氣/空氣的比率允許床溫度和表面床速度在更寬的範圍內被控制。必須將床溫控制在所需範圍內，以避免在燃燒高鈉和高鉀燃料時發生聚結。在1500℉至1600℉的典型流體化床溫度下可發生嚴重的聚結。透過引入煙道氣再循環，可以保持所需的流體化氣體速度以促進良好的混合和燃燒，同時優化總的有效氧氣以適度燃燒並將流體化床溫度降低到聚結溫度以下。透過二次空氣端口454引入所需空氣到完全燃燒的平衡。
如上所述，可以控制流體化床溫度。還可以控制流體化強度(例如鼓泡床對循環床)。這些參數有助於控制任何可能形成可接受準位的聚結的速率和尺寸，該可接受準位的聚結可用床料回收系統連續去除。
然後可以在正常操作期間(例如透過漏斗424)連續地去除聚結。理想地，流體化床內鹼性物質
(Na+K)和磷(P)的總濃度應小於5%(重量)Na+K+P。在備選實施方式中，商業床排出率可以為約2.5%至約10%。床排出速率是指每小時排出的流體化床材料(在圖1中顯示為10)的總質量的百分比。
使用高速主區壓差測量來執行一種用於確定流體化床內的聚結開始的技術。主要區域包括在過火空氣端口下方的流體化床鍋爐的區域，如圖3中的圖式標記454所示。用高速壓力感測器測量越過固體的流體化床(410)的壓降。分析所得信號以識別與壓力波動的高斯分佈的偏差。然後可以調整床排出速率以控制聚結形成，同時最小化新鮮床材料的添加。
如果爐壁和加熱表面溫度保持在1000℉以下，則獲得可接受的結渣和結垢速率。可以將額外的吸收表面(例如翼壁)結合到鍋爐中，或者可以調整燃料的停留時間，以確保燃料的充分燃盡同時抑制結渣和結垢。
在以下非限制性工作實施例中進一步說明本發明。這些實施例僅用於說明，並且本發明不限於其中所述的材料、條件、工藝參數等。
實施例1
實驗室使用實驗室規模的BFB設備。該設施由電加熱爐和供氣系統組成。一組質量流量控制器測量和控制流入反應器的流體化氣體(O2和N2)的流速。反應器由兩個同心的Inconel®管組成。在進入反應器時，流體化氣
體在反應器管環中向下流動並被預熱至床溫。用於支撐床料的多孔玻璃料將流體化氣體均勻地分配到床中。來自反應器的廢氣透過安裝在爐頂部的罩排出。透過改變氣體速度，該設備可以在固定床或流體化床模式下操作。將固體燃料從頂部手動分批加入反應器中。
安裝K型熱電偶以監測離反應器多孔玻璃料分配器底部約4英寸的床溫。透過Validyne壓力感測器監測入口靜壓，並透過FlameDoctor®數據採集系統獲取信號。該系統能夠以高達500Hz的頻率數字化和記錄模擬信號，並能夠即時監測反應器條件。在此項目期間，以兩分鐘為間隔獲取和分析數據。還透過國家儀器(National Instruments；NI)數據採集小組獲得Validyne和K型熱電偶的輸出，用於連續觀察床操作條件。
對於實驗室規模的測試，將約250克高石英矽砂床材料加入反應器中。使用40×45篩目(420μm×354μm)篩(美規)對床材料進行雙重篩分。啟動裝置的爐子設定點為800℃(以10℃/分鐘的升溫速率)。這提供了700℃(1292℉)的床溫。選擇該溫度代表商業操作系統的目標溫度範圍的低端，並且還足夠低以在床調節期間抑制任何鹼誘導的床聚結。
調整空氣和氮氣的混合物的氣流以在床中提供14%的氧氣氛。這相當於6.2標準升/分鐘(SLPM)的空氣和3.1 SLPM的氮氣。在這些條件下，表觀速度約為該床材料在工作溫度下的最小流體化速度的5倍。因此，在這種
條件下確保良好的流體化。為了調節床，在整個試驗期間，將混合燃料的粒料一個接一個地(半連續地)加入反應器的頂部。調整進料速率以確保在床調節期間不發生床溫的突然變化。在基線調節試驗期間使用的燃料總量(約230克)被設定為後續涉及使用添加劑的試驗的標準。這是為了確保在所有測試條件下，床的總鹼輸入保持大致相同。床在燃料中存在磷的情況下開始顯示脫流效應，同時向床中加入少於2wt%的鹼。一旦用所需量的燃料調節床，就進行緩慢的斜坡試驗直至床聚結。這是藉由調整爐溫設定使床溫升高1℃/min來實現的。連續監測並記錄導致聚結的條件。
使反應器冷卻，稱重物資以記錄床料和灰分的總質量。對於大多數測試，來自燃料調節的重量增加(來自250克沙子的初始質量)在15克到20克之間。然後將床材料透過12篩目(美規)篩分，以量化來自燃料調節的過大/粗糙材料的量。後來對用過的床材料的檢查證實，沒有熔融顆粒難以用溫和的手指壓力分開。粗粒部分非常脆，在將其重新引入系統之前用手壓碎。這樣做是為了確保在聚結過程中考慮床樣品中的所有鹼，包括可能已存在於粗粒級分中的鹼。透過將粗大尺寸的顆粒分解成較小床尺寸的材料，消除了由非聚結效應引起的床脫流效應。
實驗室規模反應器中的標稱操作條件總結如下。應注意，燃料進料的水分含量為30%至60%。
獲得四個數據集：(A)沒有添加劑的基線；(B)每莫耳(K+Na+P)氧化物加入3莫耳氧化鐵；(C)每莫耳(K+Na+P)氧化物加入2莫耳氧化鐵，和(D)每莫耳(K+Na+P)氧化物加入1莫耳氧化鐵，圖4顯示了添加氧化鐵對床聚結溫度的影響。點劃線表示用於商業操作的較佳床操作溫度。該圖表明氧化鐵的添加使床聚結溫度從基線條件增加(由x軸上的0莫耳表示)。相對於氧化鐵的添加，溫度的變化是相當線性的。應注意，每莫耳(K+Na+P)氧化物的每一莫耳氧化鐵相當於所加燃料重量的約4wt%氧化鐵。
圖5是顯示床灰樣品中磷含量的柱狀圖。這
表明透過形成更高熔點的化合物將氣態磷捕獲在床本身中。
已經參考示例性實施例描述了本揭示。在閱讀和理解前面的詳細描述之後，其他人將想到修改和變更。本揭示旨在被解釋為包括所有這些修改和變化，只要它們落入所附申請專利範圍或其等同物的範圍內。
302:爐管壁
304:流體化床
310:雙相進料器、燃料進料器
320:斜槽
322:頂端
324:底端
325:固體進料路徑
330:基部
340:氣體分配噴嘴
350:次級端口
360:板
Claims (16)
- 一種用於當生物質燃料燃燒時減少流體化床鍋爐中床聚結之方法，包含：將該生物質燃料添加到該流體化床鍋爐；並且將包含至少一種含鐵化合物的溶液、懸浮液或乳液添加到該流體化床鍋爐的流體化床。
- 根據請求項1之方法，其中該至少一種含鐵化合物是氧化鐵(II)；氧化鐵(III)；鹵化鐵(II)；鹵化鐵(III)；碘酸鐵(III)；或碳酸鐵(II)。
- 根據請求項1之方法，其中該至少一種含鐵化合物是水溶性的，並以該溶液的形式被添加。
- 根據請求項1之方法，其中該至少一種含鐵化合物是水不溶性的，並以該懸浮液或該乳液的形式被添加。
- 根據請求項1之方法，其中該生物質燃料是玉米稈、柳枝稷、芒或混種楊。
- 根據請求項1之方法，其中該流體化床鍋爐在約1200°F至約2000℉(約648℃至約1093℃)的溫度下操作。
- 根據請求項1之方法，其中該流體化床鍋爐的空氣/燃料化學計量為約0.4至約0.5。
- 根據請求項1之方法，其中將該至少一種含鐵化合物以至多12wt%的生物質燃料的量添加到該流體化床。
- 根據請求項1之方法，其中將該至少一種含鐵化合物以每莫耳(氧化鈉+氧化鉀+磷氧化物)至多3莫耳的量添加到該流體化床。
- 根據請求項1之方法，其中將該至少一種含鐵化合物以每莫耳(Na2O+K2O+P2O5)至多3莫耳的量添加到該流體化床。
- 根據請求項1之方法，其中將包含該至少一種含鐵化合物的該溶液、該懸浮液或該乳液與該生物質燃料混合在一起，並與該生物質燃料同時被添加到該流體化床鍋爐的該流體化床。
- 根據請求項1之方法，其中包含該至少一種含鐵化合物的該溶液、該懸浮液或該乳液透過生物質燃料進料點處的端口被注入或透過與該生物質燃料進料點鄰近的端口被注入。
- 根據請求項1之方法，其中包含該至少一種含鐵化合物的該溶液、該懸浮液或該乳液被注入該流體化床的底部。
- 根據請求項1之方法，其中該生物質燃料具有約30%至約60%的水分含量。
- 根據請求項1之方法，其中該流體化床包含二氧化矽、氧化鋁或鈣。
- 根據請求項1之方法，其中該流體化床是含高嶺土的流體化床，並且該含鐵化合物增強該含高嶺土流體化床的反應性。
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