CN107002989A - 用于鼓泡流化床燃烧的床料 - Google Patents

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Abstract

本发明属于鼓泡流化床燃烧的技术领域并涉及具有0.1mm至1.8mm的平均粒径<dp>的钛铁矿颗粒作为具有低于1.3的过量空气比(λ)的鼓泡流化床(BFB)锅炉的床料的用途，以及用于操作鼓泡流化床(BFB)锅炉的方法，包括用包含权利要求1和4‑5中任一项限定的钛铁矿颗粒的鼓泡流化床进行燃烧过程；和将过量空气比(λ)设定为小于1.3的值。

Description

用于鼓泡流化床燃烧的床料
技术领域
本发明属于鼓泡流化床燃烧的技术领域，并涉及钛铁矿颗粒在鼓泡流化床锅炉中的用途以及用于操作鼓泡流化床锅炉的方法。
背景技术
在流化床燃烧(FBC)中，燃料悬浮于固体颗粒材料的热流化床中。在该技术中，使流化气体以特定流化速度通过固体颗粒床料。在非常低的气体速度下，床保持静止。一旦流化气体的速度升高超过流化气体的力平衡作用于颗粒的重力的最小流化速度(umf)时，固体床料在许多方面行为表现类似于流体，且床被认为是流化的。实际使用的两种主要类型的流化床燃烧***是鼓泡流化床(BFB)锅炉和循环流化床(CFB)锅炉。
BFB燃烧已经开发为炉排锅炉(grate boiler)的替代，并到现在为止是用于燃烧各种各样的燃料的成熟技术。炉排锅炉在温度和燃料分布上可以表现出相当大的变化。在BFB技术中，床料，通常是硅砂，被应用为热载体以在脱挥发和焦炭转化区中产生更均匀的热和燃料分布。在BFB燃烧中，流化气体速度高于最小流化速度且低于床颗粒夹带流化气体中并被流化气流带走的夹带速度。这些流化气体速度导致在床中形成气泡，在与炉排燃烧相比时，有利于气体传送通过床料并允许更好地控制燃烧条件(更好的温度和湍流控制)。该技术在燃烧非常潮湿的燃料时是特别有利的，因为良好混合的床料起到热量贮存(heatmagazine)作用而平衡由湿燃料转化所引起的局部冷区。
在BFB燃烧中，未燃烧的燃料可以包含于随烟道气上升的飞灰中。通过CFB锅炉的开发解决了这个问题，其允许再循环未燃烧的燃料。在CFB燃烧中，流化气体以高于夹带速度的流化速度通过床料，使得固体颗粒被流化气流带走。然后将颗粒从气流中分离，并通过返料器(loop seal)循环回炉中。
通常将空气用作流化气体(所谓的一次空气)，并从床下方通过床料，从而起到燃烧所需的氧源的作用。即使流化床被看作是在固体燃料和床料之间提供良好混合的***，特别是当与炉排锅炉相比时，混合并不完全。例如，由于例如乱窜(streaking)(在炉内出现氧含量高且具有较差的与可燃物的接触或不接触的独立气态流)，可能出现关于炉内燃料和氧气的不均匀混合条件。为了补偿不均匀的混合条件，有必要以超过化学计量所需的量提供氧气以实现基本上完全的燃烧。过量的空气比率取决于燃料的不均匀性，通常为1.3。为此，二次和通常的三次空气端口分布于锅炉的关键区域(通常在炉的余幅(freeboard)中)，以确保完全燃料燃烧。
然而，向锅炉供应过量空气会导致锅炉效率降低，并还可能导致不期望的环境影响，如例如增加一氧化碳(CO)、未燃烧的烃或氮氧化物(NOx)的排放。
由现有技术，已知在CFB过程中使用钛铁矿作为流化床料(H.Thunman et al.,Fuel 113(2013)300-309)。天然存在的矿物钛铁矿是一种氧化铁钛(FeTiO3)，其可以反复氧化和还原，由此起到氧化还原材料的作用。由于钛铁矿的这种还原氧化特性，该材料可以用作循环流化床(CFB)燃烧中的氧载体。对CFB燃烧中的钛铁矿的研究由化学循环燃烧(CLC)中钛铁矿作为固体氧携带材料的研究所启发，其中固体携氧携带材料在富氧和贫氧环境之间循环。在CFB过程中，钛铁矿颗粒会经历炉内的还原条件和在再循环进入炉时的氧化条件。
发明内容
本发明的目的是提供用于高效和成本有效的鼓泡流化床燃烧，具体地用于连续操作的BFB锅炉的方式。
通过根据权利要求1的用途和根据权利要求6的方法解决了这个目的。有利的实施方式限定于从属权利要求中。
具体地，本发明已经认识到，一方面，具有0.1mm至1.8mm的平均粒径<dp>的钛铁矿颗粒作为具有低于1.3的过量空气比率(λ)的鼓泡流化床(BFB)锅炉的床料的用途，以及另一方面，用于操作鼓泡流化床(BFB)锅炉的方法，包括：
a)使用包含具有0.1mm至1.8mm的平均粒径<dp>的钛铁矿颗粒的鼓泡流化床进行燃烧过程；和
a)将过量空气比率(λ)设定为小于1.3的值，
使得以较少过量的空气进行鼓泡流化床燃烧过程，由此更接近于化学计量燃烧，导致效率提高。
该解决方案是意想不到的，因为现有技术的CLC和CFB过程的共同特征是存在其中富/贫氧条件主导的独立区域。因此，这使得在具有明显不同的燃烧/反应条件的独立且限定的区域中高效地循环钛铁矿。相比之下，起泡流化床燃烧缺乏这些独立且限定的区域，并且看起来违反直觉的是，钛铁矿的供氧能力可以用于BFB燃烧。
本发明基于以下出乎意料的发现：在鼓泡流化床燃烧中，原位燃烧参数的变化足以利用钛铁矿供氧能力有效地平衡空气供给和燃烧材料的变化。这使得可以降低过量空气比率(λ)，这增加效率并降低排放问题，特别是CO，NOx和未燃烧的烃的排放。因此，本发明允许在连续操作下在单一鼓泡流化床中利用钛铁矿的还原-氧化效应。
首先，在本发明的上下文中解释了几个术语。
本发明涉及具有0.1mm至1.8mm的平均粒径<dp>的钛铁矿颗粒作为具有低于1.3的过量空气比率(λ)的鼓泡流化床(BFB)锅炉的床料的用途。
在本发明的上下文中，术语床料描述了旨在在BFB***中生成流化床的材料。应该注意的是，燃料不是床料。术语燃料描述了待燃烧的材料，并包括已知在BFB锅炉中可燃烧的任何燃料，特别是生物质和基于废物的燃料。典型的燃料材料是木材，农业生物质或污泥。本发明不限于特定类型的燃料的燃烧并涵盖不同燃料的混合物的燃烧。
过量空气比λ是BFB锅炉的运行中的常用参数，并定义为燃烧过程中实际存在的空气的燃料的质量比(MR空气/燃料＝m空气/m燃料)除以空气与燃料的化学计量质量比。即，λ＝(MR空气/燃料)实际/(MR空气/燃料)化学计量。实际存在于锅炉中的空气与燃料的质量比由供应给锅炉的燃料和空气的量确定。空气与燃料的化学计量质量比是提供的燃料的完全燃烧的化学计量所需的质量比，并可以对任何给定的燃料组成计算。
本发明已经认识到，使用本发明的钛铁矿颗粒作为鼓泡流化床锅炉中的床料允许在接近化学计量比率的空气与燃料的比率下有效的燃烧，导致更有效的燃烧过程和更少的环境有害排放。根据本发明，钛铁矿颗粒用作具有低于1.3的λ的BFB锅炉的床料。
在优选的实施方式中，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。对于基于废物的燃料的燃烧，优选λ为1.23或更小，更优选1.1或更小，更优选为1.05-1.23，最优选1.05-1.1。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。
本发明中使用的钛铁矿颗粒可以，例如，是钛铁矿砂，条件是钛铁矿砂颗粒满足粒径要求。优选地，钛铁矿颗粒是粉碎的钛铁矿。
在本发明的上下文中，可以通过机械筛分处理粒径(dp)。将每次筛上捕获的质量称重，并将平均粒径(<dp>)计算为质量加权平均值。
钛铁矿颗粒的平均粒径优选为至少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，更优选不大于1.0mm，最优选不大于0.6mm。在本发明的上下文中，每个下限可以与每个上限组合而限定平均粒径范围。平均钛铁矿粒径的优选范围为0.2-1.8mm，0.3-1.0mm和0.4-0.6mm，其中特别优选的是0.4-0.6mm的范围。
优选地，钛铁矿颗粒的粒径可以处于0.1mm至1.8mm的范围内，更优选处于0.3mm至1.0mm的范围内。在本发明的上下文中，任何粒径范围可以与平均粒径的任何范围组合。如果钛铁矿颗粒与对于常规床料，如例如硅砂设计的BFB锅炉一起使用，则上述粒径范围是特别有利的。钛铁矿是比通常使用的硅砂更致密的材料，其会影响流化性能。通常，BFB***中的硅砂颗粒的尺寸可以处于0.25mm至2.0mm的范围内，优选处于0.5-1.2mm的范围内，其分别对应于钛铁矿颗粒的0.1mm至1.8mm和0.3mm至1.0mm的粒径范围。使用所述的钛铁矿粒径范围，BFB锅炉中的流化空气/气体流动可以维持类似于使用硅砂的情况。更加优选的是，如果除了这些粒径范围之外，钛铁矿颗粒的平均粒径为0.4-0.6mm，因为该范围对应于BFB锅炉中的硅砂颗粒的优选平均粒径范围(0.6-0.8mm)。在特别有利的实施方式中，钛铁矿颗粒的粒径处于0.3mm至1.0mm的范围内，并且钛铁矿颗粒的平均粒径为0.4mm至0.6mm。
在有利的实施方式中，钛铁矿颗粒已经过筛选而排除了粒径过大而不能流化或过小而不能保留于***中的颗粒。这改善了燃烧过程的效率。优选地，筛选包括筛分出过小或过大的颗粒。
在本发明的上下文中，钛铁矿颗粒可以用作炉中唯一的床料。然而，还可以将钛铁矿颗粒与一种或多种其它床料结合使用。用于BFB燃烧的常规床料描述在现有技术中并对于本领域技术人员而言是已知的。与本发明的钛铁矿颗粒结合使用的优选床料是硅砂。优选地，硅砂颗粒的尺寸处于0.25mm至2.0mm的范围内，更优选处于0.5mm至1.2mm的范围内，和/或硅砂颗粒的平均粒径为0.6mm至0.8mm。如果钛铁矿颗粒与硅砂颗粒结合使用，则优选钛铁矿颗粒的粒径处于0.3mm至1.0mm的范围内，并且钛铁矿颗粒的平均粒径为0.4mm至0.6mm，而硅砂颗粒的粒径处于0.5mm至1.2mm的范围内，并且硅砂颗粒的平均粒径为0.6mm至0.8mm。
优选地，以总床料的质量的按重量计至少10％、优选至少按重量计20％、更优选按重量计至少30％、更优选按重量计至少40％、更优选按重量计至少50％、更优选按重量计至少60％、更优选按重量计至少70％优选按重量计至少80％、更优选按重量计至少90％、最优选按重量计至少95％的量使用钛铁矿颗粒。
在一个有利的实施方式中，钛铁矿颗粒用作具有连续燃料供应的鼓泡流化床锅炉的床料。在另一个有利的实施方式中，本发明的钛铁矿颗粒用作具有间歇燃料供应的鼓泡流化床锅炉的床料。
流化气体速度通常调节为适应床料的流化特性和加载范围。在优选的实施方式中，本发明的用途包括将流化气体速度设定为至少0.03m/s，优选至少0.13m/s，更优选至少0.19m/s，更优选至少0.25m/s，更优选至少0.28m/s，更优选为0.3至2.0m/s的值，最优选为0.3至1.5m/s的值。
特别优选的实施方式涉及具有0.3至1.0mm范围内的粒径(dp)和/或0.4mm至0.6mm的平均粒径(<dp>)的钛铁矿颗粒作为鼓泡流化床锅炉的床料的用途，其中该用途包括将流化气体速度设定为0.3m/s至1.5m/s的值。如果旨在用本发明的钛铁矿颗粒完全或部分替代常规BFB锅炉中的硅砂颗粒，该用途是特别优选的。
常规的床颗粒如硅砂颗粒在暴露于含碱燃料时容易聚结。如果不添加额外的砂，这可能导致锅炉停机。然而，本发明的钛铁矿会吸收碱，这降低了聚结的风险，并在例如与硅砂相比时需要较不频繁的床料更换。在优选的实施方式中，本发明的用途包括在使用生物质燃料时，以小于3kg/MWh热输出的速率，更优选以1.5kg/MWh热输出或更低的速率将钛铁矿颗粒供给至锅炉，当使用基于废物的燃料时，以小于6kg/MWh热输出的速率，更优选以3kg/MWh热输出或更低的速率将钛铁矿颗粒供给至锅炉。如果钛铁矿颗粒与硅砂结合使用时，本发明的用途可以优选包括在使用生物质燃料时以3kg/MWh热输出的速率将硅砂颗粒供给至锅炉，并且在使用基于废物的燃料时以6kg/MWh热输出的速率将硅砂颗粒供给至锅炉。
此外，由钛铁矿颗粒吸收碱会降低热交换器表面上的结垢和结渣风险。这与由于使用钛铁矿颗粒的更有效的燃烧一起使得可以使用更宽的燃料跨度。
在BFB锅炉的燃烧过程中，空气通常作为一次流化空气经由床下方的喷嘴和作为二次(和可能的三次)空气在炉的余幅中供给。本发明已经认识到，通过利用钛铁矿颗粒的供氧能力，可以用较少或不用二次或三次空气供应实现完全燃烧。优选的实施方式涉及钛铁矿颗粒在BFB锅炉中的用途，其中至少50％，优选至少70％，更优选至少80％，更优选至少90％，最优选所有燃烧空气作为一次流化空气提供。
BFB锅炉的一个常见问题是由来自***，特别是传导路径中的燃料和/或床料的无机材料形成的烟灰和/或沉积物的累积。这需要定期的烟灰处理(sooting)措施，即从***中去除烟灰的措施。高达每天三次的烟灰处理间隔(两次烟灰处理措施之间的间隔)并不罕见。即必须每天清除烟灰。优选这通过吹灰完成。本发明已经认识到，在BFB锅炉中使用本发明的钛铁矿颗粒作为床料会导致***中，特别是传导路径中烟灰的积聚减少。这意味着可以延长烟灰处理间隔。可以降低例如通过吹灰的烟灰去除的频率。使用本发明的钛铁矿颗粒，烟灰处理间隔优选为至少2天，更优选至少3天，更优选至少5天，更优选至少1周，更优选至少2周，最优选至少3周。
特别优选的用途是与用于操作的BFB锅炉。
本发明还涉及用于操作鼓泡流化床(BFB)锅炉的方法，包括：
a)用包含具有0.1mm至1.8mm的平均粒径<dp>的钛铁矿颗粒的鼓泡流化床进行燃烧过程；和
b)将过量空气比率(λ)设定为低于1.3的值。
本发明方法的特征以及在BFB锅炉的操作中使用钛铁矿颗粒的优点已经在上述本发明用途的上下文中讨论。这些特征和优点也适用于下面讨论的本发明的方法。
具体而言，包含于床中的钛铁矿颗粒可以例如是钛铁矿砂，条件是钛铁矿颗粒满足粒径要求。优选地，钛铁矿颗粒是粉碎的钛铁矿。
钛铁矿颗粒的平均粒径优选为至少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，更优选不大于1.0mm，最优选不大于0.6mm。在本发明的上下文中，每个下限可以与每个上限组合而限定平均粒径范围。平均钛铁矿粒径的优选范围为0.2-1.8mm，0.3-1.0mm和0.4-0.6mm，其中特别优选的是0.4-0.6mm的范围。
优选地，钛铁矿颗粒的粒径可以处于0.1mm至1.8mm的范围内，更优选处于0.3mm至1.0mm的范围内。在本发明的上下文中，任何粒径范围都可以与平均粒径的任何范围组合。如果该方法涉及对于常规床料如硅砂设计的BFB锅炉的操作，则以上粒径范围是特别有利的。钛铁矿是比通常使用的硅砂更致密的材料，这会影响流化性能。通常，BFB***中硅砂颗粒的尺寸可以处于0.25mm至2.0mm的范围内，优选处于0.5-1.2mm的范围内，这分别对应于钛铁矿颗粒的0.1mm至1.8mm和0.3mm至1.0mm的粒径范围。使用所述的钛铁矿粒径范围，在BFB锅炉中的流化空气/气体流动可以保持类似于使用硅砂的情况。更加优选的是，如果除了这些粒径范围外，钛铁矿颗粒的平均粒径为0.4-0.6mm，因为这个范围对应于BFB锅炉中的硅砂颗粒的优选平均粒径范围(0.6-0.8mm)。在特别有利的实施方式中，钛铁矿颗粒的粒径处于0.3mm至1.0mm的范围内，并且钛铁矿颗粒的平均粒径为0.4mm至0.6mm。
在有利的实施方式中，该方法包括在进行燃烧过程之前筛选钛铁矿颗粒以排除粒径过大而不能流化或过小而不能保留在***中的颗粒。这改善了燃烧过程的效率。优选地，筛选包括筛分出过小或过大的颗粒。
在优选的实施方式中，鼓泡流化床由钛铁矿颗粒构成。在另一个优选的实施方式中，鼓泡流化床包含以上描述的钛铁矿颗粒和另外至少一种其它床料。至少一其他种床料可以是现有技术中已知的用于BFB燃烧的任何常规床料。优选的床料是硅砂。优选地，硅砂颗粒的尺寸处于0.25mm至2.0mm的范围内，更优选处于0.5mm至1.2mm的范围内，和/或硅砂颗粒的平均粒径为0.6mm至0.8mm。如果床包含钛铁矿颗粒和硅砂颗粒，则进一步优选的是钛铁矿颗粒的粒径处于0.3mm至1.0mm的范围内，并且钛铁矿颗粒的平均粒径为0.4mm至0.6mm，而硅砂颗粒的粒径为0.5mm至1.2mm，并且硅砂颗粒的平均粒径为0.6mm至0.8mm。
优选地，鼓泡流化床以总床料质量的按重量计至少10％、优选按重量计至少20％、更优选按重量计至少30％、更优选按重量计至少40％、更优选按重量计至少50％、更优选按重量计至少60％、更优选按重量计至少70％、更优选按重量计至少80％、更优选按重量计至少90％、最优选按重量计至少95％的量包含钛铁矿颗粒。
在优选的实施方式中，该方法包括将流化气体速度设定为至少0.03m/s、优选至少0.13m/s、更优选至少0.19m/s、更优选至少0.25m/s、更优选至少0.28m/s，更优选0.3至2.0m/s的值、最优选0.3至1.5m/s的值。
特别优选的实施方式涉及其中钛铁矿颗粒具有0.3至1.0mm范围内的粒径(dp)和/或0.4mm至0.6mm的平均粒径(<dp>)的方法，并且其中该方法包括将流化气体速度设定为0.3m/s至1.5m/s的值。这对于操作设计为与常规床料如硅砂一起使用的BFB锅炉是特别优选的。
在优选的实施方式中，本发明的方法包括在使用生物质燃料时以小于3kg/MWh热输出的速率，更优选以1.5kg/MWh热输出或更低的速率，并且在使用基于废物的燃料时以小于6kg/MWh热输出的速率，更优选以3kg/MWh热输出或更低的速率，将钛铁矿颗粒供应到BFB锅炉。
在有利的实施方式中，该方法包括将钛铁矿颗粒连续供应到BFB锅炉中。
在另一个有利的实施方式中，该方法包括分批供应钛铁矿颗粒。
如果床进一步包含硅砂，该方法可以优选包括在使用生物质燃料时以3kg/MWh热输出的速率，并在使用基于废物的燃料时以6kg/MWh热输出的速率向BFB锅炉供应硅砂颗粒。
优选地，该方法包括供应至少50％、更优选至少70％、更优选至少80％、更优选至少90％、最优选全部的燃烧空气作为一次流化空气。
优选地，该方法提供至少2天、更优选至少3天、更优选至少5天、更优选至少1周、更优选至少2周、最优选至少3周的烟灰处理间隔(两次烟灰处理措施之间的间隔)。
在有利的实施方式中，该方法包括向BFB锅炉连续供应燃料。在另一个有利的实施方式中，方法包括分批供应燃料。
当BFB锅炉连续运作时，这是特别优选的。
如上所述，本发明的方法，特别是在与作为床料的硅砂颗粒相比时，导致更有效的燃烧过程。这意味着在保持烟道气体速度的同时，可以增加燃料吞吐量，这也增加了热容量。可替换地，保持热和/或功率输出，而可以降低燃料的输入。
附图说明
在下文中，将通过示例的方式解释有利的实施方式。
其在以下示出
图1：具有包含钛铁矿颗粒的鼓泡流化床的BFB锅炉；
图2：鼓泡流化床中硅砂和钛铁矿的流化性能；
图3：用于BFB实验的锅炉和气化炉***的示意图；
图4：CO和CO2浓度相对于使用钛铁矿和硅砂作为床料的BFB燃烧的流化速率；
图5：CO和CO2浓度相对于使用钛铁矿和硅砂作为床料的BFB燃烧的燃料加载。
具体实施方式
实施例1
图1显示了BFB锅炉(1)，具有一次空气供给(2)和炉(4)底部的空气分配器(3)以及在炉(4)的余幅中的二次空气端口(5)和三次空气端口(6)。还显示了热交换器(7)和烟道气清洁管线(8)。燃料优选通过燃料端口(9)连续进料，并在包含钛铁矿颗粒的鼓泡流化床(10)中燃烧。优选地，床料由具有0.3mm至1.0mm范围内的粒径dp以及0.4mm至0.6mm的平均粒径<dp>的钛铁矿颗粒组成。钛铁矿颗粒可以是粉碎的岩石钛铁矿，其在进行燃烧过程之前已经筛选以通过筛出过大或过小的颗粒排除粒径过大而不能被流化和粒径过小而不能保留于***中的颗粒。
钛铁矿颗粒的使用允许锅炉运行更接近化学计量的燃烧。具体而言，锅炉(1)以低于1.3的过量空气比率(λ)，例如，对于废物基燃料以1.05<λ<1.23，且对于生物质燃料以1.05<λ<1.19运行。对于两种类型的燃料，优选将λ设定为1.05至1.1。燃烧空气的大部分(>50％)通过一次空气供应装置(2)提供为一次空气，且优选所有的燃烧空气作为一次空气提供。锅炉以0.3至1.5m/s的流化气体速率运行。
在床(10)中使用钛铁矿颗粒会导致更好地平衡的氧分布，这使得可以更完全地燃烧并且降低烟道气管线(8)中的CO、NOx和未燃烧的碳的排放。
床中的钛铁矿颗粒可以吸收碱，且因此与硅砂床料相比而不易于聚结。这使得延长床料的更换速率。当使用生物质燃料时，以1.5kg/MWh热输出或更低的速率，且当使用基于废物的燃料时，以3kg/MWh热输出的速率将钛铁矿颗粒供给至锅炉。
可替换地，锅炉(1)以具有本说明书的一般部分中公开的颗粒比的钛铁矿颗粒和硅砂颗粒的混合物作为床料运行。在这种情况下，优选的是硅砂颗粒具有0.5mm至1.2mm范围内的粒径且硅砂的平均粒径<dp>为0.6mm至0.8mm。
实施例2
BFB锅炉中床料的粒径
应确定流化床应用中的粒径(dp)以适于应用的目的。粒径影响流体动力学并也影响所需的流化介质的量。BFB锅炉中的推荐平均粒径为0.6至0.8mm。砂粒径分布可以处于0.5-1.2mm的间隔内。影响锅炉中的流体动力学的其它参数为例如：固体密度(ρs)、颗粒的球度(Φs)和床中的颗粒之间产生的空隙率(ε)。可以估计不同床料的流体动力学的“行为”，且通常使用的一个参数是最小流化速度(umf)。该速度给出了关于床料何时开始流化的信息。有三个主要途径确定umf：1)实验，2)理论计算，或3)半经验计算。本文中，使用了半经验计算途径。计算基于Ergun方程(1)(Kunii D.,Levenspiel O.,FluidizationEngineering,second edition,Butterworth-Heinemann,1991)：
其中Remf根据方程2计算，其中ρf是流体的密度，而ν是气体的运动粘度。
阿基米德数(AR)根据方程3计算，其中g是重力常数。
已经得到颗粒的Φs，但没有得到εmf数。本文中εmf数通过Wen和Yu提出的半经验相关(Wen C.Y.,Yu Y.H.,A generalized method for predicting minimum fluidizationvelocity,American Institute of Chemical Engineers,Vol.12,Issue 3,May 1966,pages 610-622)根据方程4计算
已经考虑了两种不同的钛铁矿：1)一种在新鲜颗粒上具有0.7的Φ(其在查尔姆斯大学(University of Chalmers)测定)的挪威岩石钛铁矿，2)一种具有对应于硅砂的Φs的0.86的Φs的圆形钛铁矿。来自计算的结果在图2中示出为两种钛铁矿和普通硅砂的umf相对于dp。如果将对硅砂的推荐视为平均粒径的基础，并且如果比较建立在满足相同的umf之上，则相应的平均钛铁矿dp在图的蓝色阴影区域中给出。如果保持相同umf作为较重的钛铁矿的基础，则流化介质的相同体积流量可以认为是有效的。这种选择有两个明显的优点：1)可以考虑普通气体流量甚至更低，这是积极的，因为燃烧***中的气体体积流量和风扇风量通常是限制，2)较小的粒径会因为引发更多的表面积而促进氧气携带效果，并且在床上方的干湿交替区(splash zone)内可以预期具有更好的气体/固体接触。
实施例3
1)用于BFB实验的装置
将查尔姆斯理工大学(Chalmers University of Technology)的A2-4MWth气化炉***用于使用钛铁矿的BFB燃烧实验。其是间接气化的类型。在该技术中，实际的气化反应与燃烧反应分离，且吸热气化反应所需的热量由热循环床料提供。鼓泡流化床气化器连接到12MWth循环流化床锅炉，且两个反应器经由床料连通，参见图3。燃料在气化炉的床顶部进料，且气化炉用纯蒸汽流化。通常***用硅砂运行，且气化炉在750-830℃的温度区间内运行。图2显示了锅炉和气化炉装置，其中参考标号表示：
10 炉
11 燃料进料(炉)
12 风箱
13 旋风分离器
14 传导路径
15 第二旋风分离器
16 织物过滤器
17 烟道气风机
18 颗粒分配器
19 颗粒冷却器
20 气化炉
21 颗粒密封1
22 颗粒密封2
23 燃料进料(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 测量端口
2)气化器中的钛铁矿操作
恒定燃料进料下的流化速度变化
以研究挥发物与床料之间的气体/固体接触为目的，将气化器用100wt.％的具有0.14mm的平均粒径的钛铁矿作为床料运行数天。第一个实验是在产生不同的气体速度：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)的四种不同的蒸汽流中进行。在该实验期间，用300kg燃料(木材粒料)/小时连续进料气化炉，且床的温度保持于820-830℃。图4显示了钛铁矿运行期间气化炉的出口处的分析的气体组分CO2和CO。在正常气化条件(参照，砂，标记红色)期间的普通硅砂的数据已经添加在图中用于与钛铁矿比较。如图4中可以看出，与硅砂操作相比，在使用钛铁矿时，CO浓度明显降低，且CO2浓度增加了几乎4倍。由于气化炉用纯蒸汽流化，所有为烃和CO的增加的氧化而供给的额外氧气与钛铁矿的氧气携带性能相关。这进一步体现了燃料转化期间钛铁矿所具有的氧气缓冲效果和从富氧向贫氧区传输氧的能力。气化炉中的流化条件和气体固体接触可以相当于BFB锅炉中的条件，而因此类似地在BFB锅炉中钛铁矿也会贡献增加的氧气传输。
恒定流化速度下燃料进料的变化
第二个实验在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)和燃料进料变化：200，300和400kg燃料/小时(木材粒料)期间进行。图5显示了气化炉的出口中的CO和CO2的测量的气体浓度。趋势与图4中的非常相似，作为经由钛铁矿的氧传输的函数的CO浓度明显降低。CO2浓度也揭示烃被燃烧，且并非仅CO被氧化。该结果表明，即使燃料进料从200增加至400kg/h，却仍然存在足够的氧支持CO和烃的氧化。
在流化床锅炉中的燃烧期间，空气通常作为一次空气经由床下面的喷嘴和作为二次控制在炉的余幅中供给。气化炉中的实验表明，通过钛铁矿床缓冲的氧气，没有添加任何空气，可以实现了高燃料转化率。这意味着挥发物的高度氧化已经在床上或接近床处进行，并表明BFB锅炉使用较少或不使用二次空气。
初步测试表明，对于废物可以实现1.23或更低的过量空气比率。这表明对于生物质燃料可以实现1.19或更低的过量空气比率。

Claims (15)

1.具有0.1mm至1.8mm的平均粒径<dp>的钛铁矿颗粒作为用于具有低于1.3的过量空气比(λ)的鼓泡流化床(BFB)锅炉的床料的用途。
2.根据权利要求1所述的用途，其中，λ为1.25或更小、更优选1.2或更小、更优选1.1或更小、最优选1.05至1.1。
3.根据权利要求1所述的用途，其中，基于废物的燃料的燃烧的λ为1.23或更小、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；和/或其中生物质燃料的燃烧的λ为1.19或更小、优选1.1或更小、更优选1.05至1.19、最优选1.05至1.1。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的用途，其中
i)所述钛铁矿颗粒的所述平均粒径(<dp>)
-为至少0.2mm、优选至少0.3mm、最优选至少0.4mm；并且
-不大于1.8mm、优选不大于1.0mm、最优选不大于0.6mm；
和/或
ii)所述钛铁矿颗粒具有0.1mm至1.8mm的范围内，优选0.3mm至1.0mm的范围内的粒径(dp)。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的用途，其特征在于，所述钛铁矿是粉碎的岩石钛铁矿。
6.一种用于操作鼓泡流化床(BFB)锅炉的方法，包括：
a)用包含权利要求1和4-5中任一项所限定的钛铁矿颗粒的鼓泡流化床进行燃烧过程；和
b)将所述过量空气比(λ)设定为低于1.3的值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，λ设定为1.25或更小、更优选1.2或更小、更优选1.1或更小、最优选1.05至1.1的值。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于废物的燃料的燃烧的λ设定为1.23或更小、优选为1.1或更小、更优选1.05至1.23的值、最优选1.05至1.1的值；和/或其中生物质燃料的燃烧的λ设定为1.19或更小、优选1.1或更小、更优选1.05至1.19的值、最优选1.05至1.1的值。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其中，所述鼓泡流化床进一步包含硅砂颗粒，其中优选地
i)所述硅砂颗粒具有0.25mm至2.0mm范围内，优选0.5mm至1.2mm范围内的粒径(dp)；和/或
ii)所述硅砂颗粒具有0.6mm至0.8mm的平均粒径(<dp>)。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的方法，其中，所述钛铁矿颗粒的量占总床质量的比例为按重量计至少10％、优选按重量计至少20％、更优选按重量计至少30％、更优选按重量计至少40％、更优选按重量计至少50％、更优选按重量计至少60％、更优选按重量计至少70％、更优选按重量计至少80％、更优选按重量计至少90％、最优选按重量计至少95％。
11.根据权利要求6-10中任一项所述的方法，其特征在于，将流化气体速度设定为至少0.03m/s、优选至少0.13m/s、更优选至少0.19m/s、更优选至少0.25m/s、更优选至少0.28m/s、更优选为0.3至2.0m/s的值、最优选为0.3至1.5m/s的值。
12.根据权利要求6-11中任一项所述的方法，其特征在于，提供至少50％、优选至少70％、更优选至少80％、更优选至少90％、最优选所有的燃烧空气作为一次流化空气。
13.根据权利要求6-12中任一项所述的方法，其特征在于至少2天、优选至少3天、更优选至少5天、更优选至少1周、更优选至少2周、最优选至少三周的烟灰处理间隔。
14.根据权利要求6-13中任一项所述的方法，其中，将燃料和/或所述钛铁矿颗粒连续供给至BFB锅炉。
15.根据权利要求6-14中任一项所述的方法，其中，
-在使用生物质燃料时，以小于3kg/MWh热输出的速率，优选1.5kg/MWh热输出或更小的速率；并且
-在使用基于废物的燃料时，以小于6kg/MWh热输出的速率，优选3kg/MWh热输出的速率
将所述钛铁矿颗粒供给至BFB锅炉。
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