CN101476721A - 一种组合式流化床冷渣器 - Google Patents

Abstract

一种组合式流化床冷渣器，包括本体、风室、布风装置、进渣管、排渣管、进风管、出风管。所述的本体设有进渣管，本体底部连接排渣管。本体下部设置布风装置并连接有进风管的风室，本体顶部接出风管。在排渣管内设置进风的喷动管，使所述的本体内自下而上形成三个不同流态的工作区——下部为喷动区，中部为环形流化区，上部为悬浮沉降区。在所述的喷动管上方设置导向管。在所述的排渣管出口设置机械排渣阀或输送机。在喷动风和流化风的共同作用下，使气固两相在床内的横向和纵向混合显著加强，解决流化床式冷渣器存在的横向混合差、局部床料易堆积、分层和团聚等弊端，使炉渣颗粒得到更充分有效的冷却。适用于CFB锅炉底渣冷却或其它高温固体颗粒物料的冷却。

Description

一种组合式流化床冷渣器

技术领域

本发明涉及一种高温固体颗粒状物料的冷却装置，具体地说涉及一种CFB锅炉底渣的冷却处理。是对传统的流化床式冷渣器的革新，使CFB锅炉的底渣冷却更高效，运作更安全。

背景技术

作为当今最孚众望的洁净煤燃烧技术之一的流化床燃烧锅炉技术(包括循环流化床CFB和鼓泡流化床BFB锅炉技术)近年在世界各地崛起，发展神速，势若燎原。尤其CFB锅炉在节能减排上正为人类社会作出日益突出的贡献。然而，CFB锅炉所排出的底渣冷却和处理至今仍然乏术，炉渣冷却设备——冷渣器已成为当前大型CFB锅炉结构和运行中最棘手的设备和技术难点之一。包括引进技术的流化床式冷渣器同样存在不少问题，诸如内部结渣、排渣失控、堵塞、磨损、达不到预期冷却效果等等，令用户极度失望。而一些机械传动式冷渣器如水冷滚筒、水冷绞龙等由于存在密封不严、卡涩变形、磨损泄漏、冷却能力不足、维修量大等缺点，在国内应用也受到了限制。冷渣器担负着CFB锅炉物料平衡、灰渣冷却和热量回收之重责，是维系CFB锅炉长期安全、稳定和经济运行的重要辅助设备之一。广言之，CFB锅炉灰渣冷却和处理，与提高锅炉效率、资源综合利用以及环境保护密不可分。与机械传动式冷渣器相比，流化床式冷渣器的优势在于气、固处于直接的强烈接触，传热、传质效率高；无任何高温转动机械部件，有效避免了设备的变形、磨损、卡涩等现象；冷却能力和处理物料量大，易于大型化；可有效地将炉底渣夹带的细颗粒送回炉膛，提高碳的燃尽度和石灰石利用率；可将炉渣的物理显热大部回收，提高锅炉效率和脱硫效率，节省燃料，保护环境。然而，由于我国特殊国情带来的燃煤灰分含量大、灰渣颗粒偏粗、底渣分额高的局面，无法发挥这种优势。据调查，绝大多数CFB锅炉的入炉煤颗粒都偏粗，无法达到设计粒度要求，是造成流化床式冷渣器难于正常运行的根本原因，使它们备受结渣、磨损、堵塞、排渣困难、出渣温度高等折磨，有时不得不采用人工间歇排渣，影响锅炉稳定运行，还对环境和人身造成损害，让用户损失不菲。造成这种局面的原因，除了上述具体国情等外部因素影响外，绝大多数设计者忽略了一个更深层次的问题，即采用流态化工艺来冷却CFB锅炉底渣并不尽合理，存在下列缺陷：a、平底的布风装置在设计结构上很难达到完善，容易出现诸多非正常流化现象，如节涌、沟流、分层、局部死区等，埋下安全隐患；b、由于超过最小流化所需流量的那部分气体以气泡形式穿过床层后在上界面破裂逸出，造成这些气体短路，未能与床层颗粒充分混合和反应，使传热传质速率降低，冷却效果被削弱；c、床层的纵向和横向混合差异很大，横向混合差，气泡和颗粒横向运动受阻，颗粒横向分速度几乎为零，降低流化的均匀度；d、不适宜处理粗颗粒比例较大的宽筛分物料，否则必须要更多的风量才能使它们彻底流化，造成风机能耗增加和床内设施的磨损加剧。由于CFB锅炉底渣具有粒径大小不一(宽筛分)，密度较大且参差不齐，粗颗粒比例大，颗粒形态差异显著、颗粒间作用力较强(粘附性)、固相浓度高等特性，从经典的流化床Geldart颗粒分类图指出，颗粒形状、尺寸和密度对其流态化性能影响很大，而CFB锅炉底渣属于D类颗粒，流动和混合性能较差，流化不易均匀，易产生分层流化，存在床料沉积死区等不利条件。因此，用单一的流化床技术冷却和处理CFB锅炉底渣是很难达到预期效果的；按照Geldart的颗粒分类理论，用喷动床工艺处理D类颗粒更合适。

中国专利号200420116020.7文献公开了“一种循环流化床锅炉底渣冷却器”，中国专利申请号02114069.3文献公开了“气槽式冷渣机”，两文献都称采用喷动床(或称气垫床)技术冷却炉渣，但在结构上看不到经典喷动床的流型，即床层截面没有明显的中心喷动区和四周的环形区。因此，实质上它们仍属于传统的流化床工艺。另一方面，单一的喷动床技术尽管长于处理较粗的颗粒物料，但喷动床的稳定性不如流化床，产生的气泡较流化床大——即气体更易短路，气固混合变差，传热、传质速率减慢，使冷却效果下降。并且，喷动床若不与锥形板结构匹配极易出现底部死区，影响工作安全。此外，中国专利号200520046425.2文献公开了“射流床风水联合冷渣器”，采用射流床冷却炉渣，该技术用倾斜布风板和定向射流对排除粗大颗粒是有利的，但其总体流型还是流化床的范畴，因而冷却效果亦不甚理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种组合式流化床冷渣器，该冷渣器为导向式喷动流化床(简称喷流床)冷渣器，是集经典喷动床和流化床技术优点于一身的新型流态化技术，既具备传统流化床良好的气固接触效果和均匀的混合特性，冷却效果好，又适合于处理较粗和粘结倾向强的颗粒物料，拓宽了床层物料的筛分范围，避免了诸如颗粒团聚、床料颗粒分布不易控制、反应器内温度分布不均等问题，是一种更为有效的气固接触式CFB锅炉灰渣冷却器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种组合式流化床冷渣器，包括本体、风室、布风装置、进渣管、排渣管、进风管、出风管。所述的本体设有进渣管，本体底部连接排渣管。本体下部设置布风装置并连接有进风管的风室，本体顶部接出风管。其特征在于：在排渣管内设置进风的喷动管，使所述的本体内自下而上形成三个不同流态的工作区——下部为喷动区，中部为环形流化区，上部为悬浮沉降区。

为了使本体形成更好的流态，在所述的本体内喷动管上方设置导向管。

为了顺利排渣，在所述的排渣管出口设置机械排渣阀或输送机。

所述的本体中上部为圆柱体或矩柱体，本体下部为圆锥体或锥台体；所述的圆锥体或矩柱体上设置布风装置，所述的布风装置包括设有风帽的布风板和耐火保温层。

所述的风帽为“S”形单出风口式，安插在布风板上，并埋置于耐火保温层内，只留出风口，是所谓“隐形”风帽。所述的喷动管上部装一喷嘴；所述的喷动管内径(Dp)与主体内径(Dc)之比为0.1～0.35；所述的喷动管外径与排渣管内径之间的间隙应≥30～70mm，按预定的炉渣粒度而定。

所述的导向管设在喷动管的上方，与主体、喷动管同心；导向管底端至喷动管喷嘴距离(导喷距)为0.5～2倍导向管内径(Dd)；所述的导向管内径(Dd)与主体内径(Dc)之比为0.15～0.6。喷动管材为耐热合金钢，排渣管由耐热铸铁制造，导向管由耐热耐磨钢或工业陶瓷制造。导向管的支架固定在冷渣器本体上。所述的导向管可为圆柱形、矩柱形、锥形或喇叭口形。

本发明的工作原理：一部分气体以喷动风形式从床层底部喷动管喷射入床内，形成一个随流体速度增高而逐渐向上延伸的中心射流区，该射流区穿透颗粒床层的中心而产生一个向上运动的气固流栓(喷动区)。当颗粒被射流夹带而高速向上运动，穿过环绕四周缓慢向下运动的颗粒床层(环形区)而上升到高出床层表面某一高度时，由于流体速度骤然下降，颗粒会象喷泉一样因重力而回落到环形区表面，从而形成喷泉区。这些回落的颗粒沿着环形区缓慢向下运动到床层底部，然后再被卷吸入喷动区而重新被夹带上来，形成颗粒极有规律的内循环。换言之，在喷动区，颗粒基本上是以填充移动或喷动搅拌为主形成床料上下循环和混合。另一部分气体以流化风形式从喷动管周围的布风装置进入床内；随着流化风量的增大，周边的环形区流动形态从固定床到移动床到完全流态化，形成密相喷动流化区。流化风的引入，明显使颗粒之间的孔隙率增大，从而使颗粒整体的流动性变好，更易于向射流区运动；换言之，流化风有助于颗粒更快混合均匀，使一部分床料在此被喷动气流卷吸进入中心喷动区，另一部分随流化风作上下流化翻滚运动。在流化风和喷动风共同作用下，颗粒的横向和纵向混合获得极大的加强，运动加速，喷动区与环形区进行着高效的热量、质量交换和传递，大大提升了灰渣冷却的速率。因此，喷流床内的灰渣冷却效果比单一的流化床或单一的喷动床冷渣器更有效和出色。在密相流化区表面，部分颗粒被气泡或气腔推动向上而窜出界面，然后自行破裂，使上界面以某种频率上下波动，形成床体最上部的稀相夹带区，在此区域进行着颗粒的夹带、分离和自由沉降过程，颗粒浓度沿床高呈指数幂衰减。为了降低总体床层阻力，节省动能消耗，增加床层工作的安全性和稳定性，在喷动管的上方设置导向管，以保证物料在喷流床中形成颗粒有规律的循环运动。导向管的作用有：a、有利于床层颗粒和气体在导向管内有序运动，延迟流体射流股的过早分散，允许小颗粒在较大范围的速率传送，增加设备处理能力；b、消除了传统喷动床最大可喷动床高度的限制，使稳定可喷动区域增加，可操作床高增加，易于大型化；c、容易形成更稳定的喷动状态，是影响最大物料处理量的重要因素；d、通过调节导向管结构和位置，可有效改变颗粒循环量和气体旁路特性，从而改变传热、传质特性，达到高效反应的目的；e、抑制颗粒向悬浮室的扬析。

本发明具有下述技术特点和积极效果：

(1)利用成熟的喷动-流化床技术，使气固流动和混合更简单、更有规律，流化性能更好。这种结构既能维持出色的冷渣效果，又利于设备的大型化；

(2)由于气固体系中空隙率的变化，引起床层颗粒的曳力系数大幅度变化，导致可在很宽范围内均能形成较浓密的床层，使操作的弹性范围加宽，单位设备冷却能力强，有利于推广应用和配合CFB锅炉向大型化发展；

(3)锥形或倾斜布风装置能很好地引导颗粒的有序流动，尤其是能使超大颗粒优先被排除出床外，消除了那些超大颗粒对流化过程的破坏，使流化更均匀、稳定，保证生产的连续性和预期的冷却效果；对被冷却物料尺寸限制更宽；

(4)导向管的设立使床层工作更稳定，动力消耗低，有利于设备大型化；

(5)一般不布置床内水冷管束，结构简单，运行、操作、检修方便，消除了床内受热面的磨损，减少了动力消耗，降低运行成本，使冷渣器工作更安全稳定；

(6)风帽隐埋在耐火保温层内，消除风帽本身被磨损及大颗粒被卡在风帽之间造成物料局部沉积的危险。

(7)通过对不同处理的冷渣器单元进行组合，既可适应大、中、小型CFB锅炉冷渣要求，也可根据现场实际条件对多个单元组成的冷渣器进行不同的组合布置；

(8)易于实现冷渣器的全自动控制，满足CFB锅炉连续排渣和稳定燃烧工况的要求。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明的剖视构造示意图。

图2是图1中A部分放大图，示意布风装置。

图中：1.进风管、2.风室、3.布风装置、4.进渣管、5.导向管、6.本体、7.出风管、8.排渣管、9.喷动管、10.输送机、31.耐火保温层、32布风板、33.风帽。

具体实施方式

如图1、2所示，一种组合式流化床冷渣器，包括本体6、风室2、布风装置3、进渣管4、排渣管8、进风管1、出风管7。所述的本体6设有进渣管4，本体6底部连接排渣管8；本体6下部设置布风装置3并连接有进风管1的风室2；本体6顶部接出风管7。在排渣管8内设置进风的喷动管9。

进一步的，在所述的本体6内喷动管9的上方设置导向管5。

更进一步的，在所述的排渣管8出口设置机械排渣阀或输送机。输送机可选择螺旋输送机。

所述的本体6中上部为圆柱体，本体6下部为中心锥角是60～100°的圆锥体；所述的圆锥体上设置布风装置3，所述的布风装置包括设有风帽33的布风板32和耐火保温层31。锥形风板的最大优点是当风量一定时，可以有效改变流化段横截面积，使下部气体速度显著提高，以利于颗粒的初始流化，也有利于粗大颗粒的定向移动，防止粗大颗粒及杂质的局部堆积，还便于集中并优先排除粗大颗粒和杂质，保证良好的流化质量。采用“S”型单孔风帽并把它们埋置在耐火保温层内，目的是减少风帽的总数量，是制造、维修方便；消除对风帽本身的磨损；同时也防止超大颗粒的床料在风帽之间被卡住或局部堆积，引发流动的恶化，有利于粗大颗粒的流动。

所述的本体中上部也可为矩柱体，本体下部为水平夹角是30～60°的锥台体；所述的锥台体上设置布风装置，所述的布风装置包括设有风帽的布风板和耐火保温层，布风板的。和圆柱形本体相比，矩柱形壳体的喷流床既降低了最小喷动速度和最大喷动压降，提高了最大喷动床高度，又具有简单灵活的几何结构，便于制造。而气固接触效率及传热率，两者是同样优秀的。喷动管和排渣管为同心圆管，它们之间的间隙与圆锥体结构要求一样。矩柱形本体所匹配的导向管，可为圆柱形，也可为矩柱形或其它形状；有关结构尺寸和比例与圆柱形壳体一致。

所述的风帽可为“S”形单出风口式，内径为10～30mm，安插在布风板上，并埋置于耐火保温层内，只留出风口，是所谓“隐形”风帽。所述的布风装置3上风帽开孔率2～8％。

所述的喷动管9上部装一喷嘴；喷动管9的内径Dp是个重要参数，它影响喷动过程的稳定及颗粒的循环率；Dp与床层本体内径Dc、颗粒直径dp等有关，一般取Dp＝(0.1～0.35)Dc，工程上Dp约为100～450mm(600mm？请确定)。所述的喷动管外径与排渣管内径之间的间隙应≥30～70mm。按预定的炉渣粒度而定，以利于过粗的床料颗粒顺利通过及排泄。

所述的导向管5设在喷动管9的上方，伸入环形流化区，与主体6、喷动管9同心。导向管5是为了增加床层稳定、降低床层总压降、消除喷动区和环形流化区的交互流、提高颗粒适应性、保证物料在喷流床内形成更有规律的循环运动以及加大颗粒的内循环量而设置的。导向管5的内径、高度和导喷距(导向管下缘至喷动管出口距离)均影响床层颗粒的循环速率、床层压降和最大喷泉高度。一般导向管内径Dd＝(0.15～0.6)Dc；Dd为150～700mm；喷动区面积Sp:环形区面积Sh＝1:(3～6)；导向管高度约为400～1000mm，导喷距约为(0.5～2)Dd。喷动管材为耐热合金钢，排渣管由耐热铸铁制造，导向管由耐热耐磨钢或工业陶瓷制造。导向管的支架固定在冷渣器本体上。所述的导向管可为圆柱形、矩柱形、锥形或喇叭口形。

在喷动管设置测量风量的接口；在本体设置测量流化风量用的接口；床层压差(风室与悬浮段之间压差)及料层压差(锥体大头以上100mm处与悬浮段之间压差)由静压测量管接口；设置温度测点分别布置在进渣管、出渣管、出风管、本体环形密相区床层内。

喷动风量用靠背动压管测量；流化风量用专利技术(专利号ZL200720121689.9)“气体流量测量管”测量；床层压差(风室与悬浮段之间压差)及料层压差(锥体大头以上100mm处与悬浮段之间压差)由静压测量管测量。

温度测点分别布置在进渣管、出渣管、出风管、环形密相区床层内。所有在线被测量量经信号变换后与控制系统连接。

工作过程如下：冷渣器运行前须进行一些准备工作，包括测量布风装置净阻力，在常用颗粒范围及不同静止床料高度下的最小流化速度Umf、最小喷动速度Ums、最佳导向管位置等参数。启动前，向床层加入一定量的床料(炉渣)，分别送入喷动风和流化风，以形成中心稀相喷动射流区和环形密相流化区，经进一步调整流化风量及喷动风量后，就具备灰渣冷却的投运条件了。热渣的投入，最好是多次、少量、均匀进入，避免突然冲击式入渣，以维护床层工作的稳定。运行过程中，要注意监测某些参数：出渣温度、密相区温度、床层总压降与布风装置净阻力之差等；后者可用来评估床内料层厚度，作为是否排渣及排多少渣的依据；最关键的是要测量和控制喷动风量和流化风量(风速)，他们是主宰灰渣冷却效果的重要参数。大量实验结果表明，应该使喷动风速Us<最小喷动风速Ums，并适当增加流化风速Uf，使Uf>最小流化风速Umf，这样，一方面使床层工作相对稳定，同时气体不易穿透床层顶部，延长了气体在床内的停留时间，有利于加强床内中心射流和环形区气体的扩散和颗粒的混合，提高灰渣冷却效果。因此，运行过程中，喷动风速(风量)和流化风速(风量)的监控和调节是须臾不能或缺的。除上述测点外，还需监测进渣温度、出风温度等量。把所有各测量量经变换后接到控制系统，实现长期在线监测和调控。

考虑到CFB锅炉容量日趋增大，配套的冷渣器容量也必须跟上。对导向式喷流床冷渣器来说，通过不断扩大床体直径(床面积)来加大冷渣数量在技术上是有困难的，因为床径的增大使中心喷动区与周边环形区的比例失调，射流影响区域相对减少，导致四周形成很大的环形区，一俟流化不良易在环形区出现死区，使气固混合恶化，使热量、质量和动量的交换及传递变得更差，大大降低冷却效果。本发明大型化的思路及措施如下：

(1)在大面积床层截面布置多个喷动管，形成多股射流。由于高速射流具有较大的能量，在流化床的浓相区形成几个大的扰动源，有利于改善流化床固有的横向混合差的缺点。

在喷嘴之间布置一些风帽并引入流化风，可以消除喷嘴周边的流化死区。这样，在每个喷嘴及周边区域构成了小型经典式喷流床单元；在该单元内喷动区处于稀相气力输送状态，环形区处于密相流化状态。可以根据需冷却的灰渣量决定采用的单元数；

(2)对圆柱形壳体布置方式，把当前运行经验成熟的结构作为子单元，密相区段由多个独立子单元紧密结合构成，上方的稀相区为一共用的悬浮室，作为各子单元扬析、夹带颗粒的自由沉降空间。各单元间工作互不干扰。这样，既能在很大程度上改善床径放大后喷动区与环形区之间热质交换和传递恶化的问题，又使单个冷渣器处理增大；

(3)对矩柱形壳体布置方式，可在总壳体内用竖直隔板将大面积床层分成多个喷流床单元。每个单元有各自独立的布风装置、进-排渣口及相应的调节控制系统。

可以预期，随着CFB锅炉容量的不断增大，一方面通过适当放大单个喷流床结构以增大冷渣量，同时按具体情况选择单元个数来满足冷渣需求。组合灵活，便于推广。

Claims (9)

1、一种组合式流化床冷渣器，包括本体、风室、布风装置、进渣管、排渣管、进风管、出风管；所述的本体设有进渣管，本体底部连接排渣管；本体下部设置布风装置并连接有进风管的风室；本体顶部接出风管；其特征在于：在排渣管内设置进风的喷动管，使所述的本体内自下而上形成三个不同流态的工作区——下部为喷动区，中部为环形流化区，上部为悬浮沉降区。

2、如权利要求1所述的冷渣器，其特征在于：在所述的本体内设置与本体及排渣管同心的导向管。

3、如权利要求1、2所述的冷渣器，其特征在于：在所述的排渣管出口设置机械排渣阀或输送机。

4、如权利要求1至3任一所述的冷渣器，其特征在于：所述的本体中上部为圆柱体，本体下部为中心锥角是60～100°的圆锥体；所述的圆锥体上设置布风装置，所述的布风装置包括设有风帽的布风板和耐火保温层。

5、如权利要求1至3任一所述的冷渣器，其特征在于：所述的本体中上部为矩柱体，本体下部为水平夹角是30～60°的锥台体；所述的锥台体上设置布风装置，所述的布风装置包括设有风帽的布风板和耐火保温层。

6、如权利要求4或5任一所述的冷渣器，其特征在于：所述的风帽为“S”形单出风口式，内径为10～30mm，安插在布风板上，并埋置于耐火保温层内，只留出风口，是所谓“隐形”风帽。所述的布风装置上风帽开孔率2～8％。

7、如权利要求6所述的冷渣器，其特征在于：所述的喷动管上部装一喷嘴；所述的喷动管内径(Dp)与主体内径(Dc)之比为0.1～0.35；喷动管内径(Dp)取值100～600mm；所述的喷动管外径与排渣管内径之间的间隙应≥30～70mm。

8、如权利要求2所述的冷渣器，其特征在于：所述的导向管设在喷动管的上方，与主体、喷动管同心；导向管底端至喷动管喷嘴距离(导喷距)为0.5～2倍导向管内径(Dd)；所述的导向管内径(Dd)与主体内径(Dc)之比为0.15～0.6；导向管内径(Dd)取值150～700mm；导向管的高度为300～1000mm；所述的导向管选自圆柱形、矩柱形、锥形或喇叭口形之一种。

9、如权利要求1、2所述的冷渣器，其特征在于：在喷动管设置测量风量的接口；在本体设置测量流化风量用的接口；在本体悬浮段、风室及本体下部大头以上100mm处设置静压测量管接口；在进渣管、出渣管、出风管、本体环形密相区床层内设置温度测点。

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