CN101970937A - 富氧燃烧循环流化床反应器及此类反应器的操作方法 - Google Patents

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Abstract

富氧燃烧循环流化床反应器包括反应器腔室(15)以及设置在该反应器腔室的底部区段中用于将气体引导到该反应器腔室内的气体分配装置(50)，该气体分配装置包括用于将富氧气体引导到反应器腔室(15)内的第一气体输送系统(70)和第二气体输送系统(75)。第一气体输送系统(70)包括第一风箱(71)并且所述第二气体输送系统(75)包括第二风箱(80)，并且第一风箱具有与反应器腔室共用的壁(77)，而设置在第一风箱下方的第二风箱具有与第一风箱共用的壁(76)。

Description

富氧燃烧循环流化床反应器及此类反应器的操作方法
【技术领域】
本发明涉及富氧燃烧流化床反应器及它们的操作。本发明特别涉及一种富氧燃烧循环流化床反应器，其包括反应器腔室和该反应器腔室的底部区段中用于将气体引导到该反应器腔室内的气体分配装置。根据权利要求1的前序部分，所述气体分配装置包括第一气体输送系统以及第二气体输送系统，其中，第一气体输送系统用于引导源自反应器腔室的再循环气体，第二气体输送系统用于引导富氧气体。根据权利要求10的前序部分，本发明还涉及包括反应器腔室和设置在该反应器腔室的底部区段中的气体分配装置的富氧燃烧流化床反应器的操作方法，在该方法中，通过气体分配装置将气体引导到反应器腔室中，该气体分配室进一步包括第一气体输送系统以及第二气体输送系统，其中，源自反应器腔室的再循环气体经第一气体输送系统反应器腔室被引导到反应器腔室内，富氧气体经第二气体输送系统引导到反应器腔室内。
【背景技术】
新规定和其他限制气体排放的要求(例如，与所谓的温室效应有关)的发展已推动实行新技术来减少例如使用化石含碳燃料的发电厂中的二氧化碳。
例如，美国专利6,505,567公开一种循环流化床蒸汽发生器，其中燃烧由再循环的二氧化碳支撑，该二氧化碳是燃烧的析出气体。燃烧通过被引导到循环流化床蒸汽发生器内的纯氧维持。引导纯氧可能形成具有极高局部温度的区域，这种高温由于例如对接近这些区域的结构元件产生应力而是不希望有的。
将氧引导到循环流化床反应器内是一个特别精细的过程。不均匀的氧分布可形成局部过热点，这还容易造成诸如床材料结块之类的问题。在使用纯氧的情况时，该问题尤其是值得讨论。
WO 2005119126公开了一种具有燃烧室的流化床设备，其中底部区段设有第一类型和第二类型主供气喷嘴。首先，第一类型喷嘴设置成用于通过常规的风箱和喷嘴在接近该腔室基部的第一高度(level)处喷射第一气体混合物。其次，第二类型喷嘴设置成用于在第一高度之上的第二高度处喷射富氧的第二气体混合物。根据WO2005119126，所述第二类型喷嘴包括用于将氧气与喷嘴内的第二气态成分混合的装置，该装置在其下端与氧气源(supply)连接并且与第二气态成分的源连接。所述的第二气态成分是来自风箱或来自单独的集气器的气体。
在这种装置中，其中氧气在喷嘴中与从风箱引来的气体混合，混合物中氧气比率的控制总是依赖于风箱中主导的压力并且独立控制即使可能也很困难。
在循环流化床反应器中，流化气体速度大幅变化，因为负荷的变化也需要通过反应器的格栅输送的气体量相应改变。格栅的操作范围例如通过压降确定，其应当不仅在高负荷期间而且在低负荷期间也不过量，该压降应当足以提供气流在格栅的横截面区域上的均匀分配。在实践中，存在一定的最低空气流量必须也在低负荷操作期间通过格栅输送，其在一些情况下可为从反应器可获得的最低负荷的限制因素。
特别是在富氧燃烧循环流化床反应器中，除了由于负荷变化引起的气体速度变化以外，还存在在富氧燃烧循环流化床反应器中保持将富氧气体正确引导到工艺中的问题。
美国专利4,628,831公开了一种用于使用流化床将气态流化流体传送到处理室的格栅。该格栅包括两个单独供应的通道回路，即分别为第一通道回路以及第二管状通道回路，其中，第一通道回路带有朝顶部变宽的孔口，用于在腔室内提供稠密流化床，第二管状通道回路在变宽的孔口上方开口，用于提供腔室内的颗粒物的强制流化床。制造这种两组单独的喷嘴和管网的格栅是极为复杂的。
本发明的一个目的是提供一种富氧燃烧循环流化床反应器，其提供用于将再循环的气体和富氧气体二者均引导到富氧燃烧循环流化床反应器中的先进技术方案。
【发明内容】
本发明的目的如权利要求1和10中公开的那样基本上得以满足。其他权利要求提供本发明的不同实施例的更多细节。
根据本发明的优选实施例，富氧燃烧循环流化床反应器包括反应器腔室以及设置在该反应器腔室的底部区段中用于将气体引导到该反应器腔室内的气体分配装置，该气体分配装置包括用于将富氧气体引导到反应器腔室内的第一气体输送系统和第二气体输送系统。第一气体输送系统包括第一风箱并且第二气体输送系统包括第二风箱。第一风箱具有与反应器腔室共用的壁，并且设置在第一风箱下方的第二风箱具有与第一风箱共用的壁。
该气体分配装置进一步与富氧气体的源连接。此装置允许富氧燃烧循环流化床反应器的有效和可靠的操作，被引导到反应器腔室内的气体的氧含量处于提高的水平，高于空气的氧含量。
有利地，第二下风箱具有内壁，内壁衬有耐受由其中的气体中的提高的氧含量所致的条件的材料。
第二风箱经由多个导管与反应器连接，所述多个导管从第二风箱延伸经过第一风箱而进入反应器腔室内。这提供了第二风箱中的气体可被保持在低于第一风箱内的气体的温度的特征。优选地，导管以可移除的方式设置在第一风箱中。
反应器腔室设有颗粒物分离器，颗粒物分离器用于对被反应器腔室内发生的反应产生的气体所夹带的流化颗粒物进行分离，并且该颗粒物分离器设有气体出口和用于分离后的颗粒物的出口。气体出口设置成经由再循环导管与第一风箱和第二风箱流动连通。
再循环导管有利地通过设有第一流量控制设备的导管与第一气体输送系统中的第一混合元件连接，并通过设有第二流量控制设备的导管与第二气体输送系统中的第二混合元件连接。这样，再循环的气体进入第一和第二气体输送系统的流速可被独立控制。
富氧气体的源通过设有第三控制阀的导管与第一混合元件连接，并通过设有第四控制阀的导管与第二混合元件连接。这样，富氧气体进入第一和第二气体输送系统的流速可被独立控制并且可实施根据本发明的方法。
根据本发明，在富氧燃烧循环流化床反应器的操作方法中，该流化床反应器包括反应器腔室以及设置在该反应器腔室的底部区段中的气体分配装置，通过该气体分配装置将气体引导到反应器腔室内，该气体分配装置进一步包括经它们将气体引导到反应器腔室内的第一气体输送系统和第二气体输送系统。以如下方式通过第一气体输送系统的第一风箱并通过第二气体输送系统的第二风箱将气体引导到反应器腔室内：引导经过第二风箱的富氧气体被引导经过多个导管，所述多个导管延伸经过第一风箱而进入到反应器腔室内。
根据本发明的优选实施例，被引导到反应器腔室内的气体含有再循环的气体，该再循环的气体被分为多束流，所述多束流包括被可控地引导到第一气体输送系统内的流以及被可控地引导到第二气体输送系统内的流。富氧气体被引导到第一气体输送系统中的再循环的气体的流中，使得第一气体输送系统中的气体的氧含量小于或等于第一氧含量，并且该富氧气体被引导到第二气体输送系统中的再循环的气体的流中，使得第二气体输送系统中的气体的氧含量大于或等于第一氧含量。
优选地，调节第一氧含量使得气体分配装置中存在的任何可燃材料自燃(即，不存在外部点燃的点燃)的风险被最大限度地减小。
根据本发明的实施例，通过保持CO2-H2O-O2气体混合物中的O2浓度足够低(通常＜28％)使得可燃材料的绝热燃烧温度低于或等于使用空气燃烧的温度来控制氧含量。
第二气体输送系统中的富氧气体被输送到第二风箱并经受来自反应器腔室的热流量，该热流量通过加热(warming up)第一风箱内的气体而减少。这样，可容易地将第二风箱内的富氧气体保持在低于第一风箱内的气体的温度。优选地，经由经第一风箱延伸到反应室中同时被第一风箱内的气体加热的多个管道引导第二风箱内的富氧气体。
【附图说明】
以下将参照所附示意图描述本发明，其中图1示出根据本发明的一个实施例的设有气体分配装置的富氧燃烧循环流化床反应器。
【具体实施方式】
图1示意性地显示了富氧燃烧循环流化床反应器10，其包括反应器腔室15以及经由连接导管25连接到反应器腔室15上部的颗粒物分离器20。颗粒物分离器20设有颗粒物出口30和气体出口35。颗粒物出口30与颗粒物返回通道40连接。颗粒物分离器20优选为离心分离器类型。返回通道可设有例如单独的颗粒物冷却器或其他颗粒物处理系统(这里未示出)。
排气，其在正常燃烧操作下主要含有CO2和H2O，经由气体出口35被进一步引向排气导管45。这里使用虚线显示了排气导管，示出排气经历特定处理工艺诸如设置成与排气导管45连接的热回收工艺的事实，但此处为了清楚的原因而未显示出。
反应器腔室15的底部区段设有气体分配装置50，其包括格栅55，经其将流化气体和含氧气的气体引导到反应器腔室15内。不论气体含量如何，所有经格栅55引导的气体都参与床材料的流化。反应器腔室15在其底端由格栅55分界。格栅设有两组开口60、65，其分别与第一气体输送系统70和第二气体输送系统75连接，以便以下述方式将气体引导到反应器腔室15内。在实践中，开口设有这里为清楚的原因而未显示出的特别的喷嘴。喷嘴基本上均匀地分布在格栅区域上。
第一气体输送系统70包括第一风箱71。第一风箱71由其底壁76、顶壁77和侧壁78形成。侧壁的数量由第一风箱的横截面形状决定；例如，如果是圆形，则仅有一个环绕风箱的侧壁。第一输送系统70另外包括第一混合元件101，气体设置成经第一混合元件流入第一风箱71内。
第二气体输送系统75包括第二风箱80，其分别由其底壁81、顶壁82和侧壁83形成。第二风箱80直接设置在第一风箱71下方。第一风箱和第二风箱具有彼此共用的壁。第一风箱71的底壁76和第二风箱的顶壁82整体地彼此附接或它们甚至可由单个共用的壁形成。换句话说，第一风箱71直接在反应器15下方而第二风箱80直接在第一风箱71下方。第二输送系统75包括第二混合元件102，气体设置成经第二混合元件流入第二风箱80。
第一风箱71和第二风箱80二者均设有开口到风箱的内部空间内的气体进口85、90。第一混合元件101和第二混合元件102设置成在其上游与各自的进口连接。排气导管45设有再循环导管95，该再循环导管95设有鼓风设备96。再循环导管95设置成用于引导由于反应器腔室15内发生的反应而产生的析出气体作为再循环气体。在实践中，在正常燃烧操作期间，再循环的析出气体主要含有CO2和H2O。
再循环导管95经导管107与第一混合元件101连接并且经导管111与第二混合元件102连接。导管107和111分别设有第一流量控制设备108和第二流量控制设备112。
第一混合元件和第二混合元件分别与气体进口85、90连接。在混合元件中，富氧气体被引导到再循环的气流中同时进行混合。被引导到每个风箱内的再循环气体的量由第一流量控制设备108和第二流量控制设备102控制。流量控制设备可包括例如第一控制阀和第二控制阀。根据本发明的实施例，流量控制设备除控制阀以外或代替控制阀包外括设置在各个导管107和111中的专用变频器控制的风机(图中未显示出)。这提供了一种控制被引导到风箱中的再循环气体的量的有效途径。用风机代替阀最大限度地减少了不必要的压力损失，因为再循环导管95内的风机96无需产生与使用阀的情况下一样高的压力。
这使得能以这样的方式实现富氧燃烧循环流化床反应器的操作：反应的析出气体，其在反应器中发生含碳燃料的燃烧的情况下主要是CO2和H2O，可部分再循环回到反应器15，使得在起动阶段(start-up phase)之后，代替空气，反应器可通过析出气体和氧气的混合物操作。这样，避免了氮的存在并且可更容易地设置从排气回收CO2。
气体分配装置50还与富氧气体的源100(类似于空气分离单元(ASU))连接。富氧气体的源100通过设有第三控制阀104的导管103与第一混合元件101连接并通过设有第四控制阀106的导管105与第二混合元件102连接。
经第一风箱71将气体引导到反应器15内设置成以如下方式发生。用于富氧气体的第三控制阀104和用于再循环气体的控制设备108被操作，使得经第一气体输送系统70引导的气体具有比第一氧含量低的氧含量，该第一氧含量在实践中为约28vol.-％，优选23～28vol.-％。优选调节第一氧含量使得气体分配装置中存在的任何可燃材料的自燃风险被最大限度地降低。这样，反应器的操作可靠而又安全。
经第二风箱80将气体引导到反应器15内设置成以如下方式发生。用于富氧气体的第四控制阀106和用于再循环气体的控制设备112被操作，使得经第二气体输送系统75引导的气体具有超过第一氧含量的提高的氧含量。因此，第二风箱中的气体的氧含量基本上保持在空气的氧含量之上。当然，可将两个风箱中的氧含量调节为相同，例如，当使用空气进行燃烧时，至少在起动阶段是这种情况。
上述装置使得可将具有特定预定的氧含量的再循环气体引导到两个风箱内。混合元件101、102确保进入风箱内的气体具有基本上均匀的成分。这最大限度地降低了局部氧浓度高存在的可能性，局部氧浓度高可导致风箱中的含碳材料过早点燃，而且还可导致反应器腔室内的局部过热区域。
基于富氧燃烧循环流化床反应器的负荷和/或流化气体流速的预定需求量调整经第一气体进口85和第二气体进口90以及喷嘴60和65二者引导的气体的总流速。基于被引导到反应器内的气体的氧含量的预定目标值调整经第二气体进口90和喷嘴65引导的富氧气体的量。在任何情况下，优选的是：经第二风箱引导的气体的氧含量大于与反应器腔室15连接的第一风箱的氧含量。
在任何可燃材料将进入具有提高的氧含量的第二风箱的情况下，尽管氧含量较高，也通过保持第二风箱内的温度低于第一风箱内的温度而最大限度地降低不希望的点燃的风险。
使得经第二风箱引导具有提高的氧含量的富氧再循环气体与通过第一风箱将第二风箱设置成与反应器腔室15分离相结合极大地提高(prove)了循环流化床的安全性。这是由于第二风箱中的富氧气体的温度在使用时被保持在低于第一风箱内的气体的温度的事实。
根据本发明的优选实施例，第二风箱80经延伸经过第一风箱75的多个导管140与反应器腔室15连接。在图1的实施例中，导管为管道。在管道140中，富氧气体被第一风箱75中的再循环气体加热。以如下方式经第一气体输送系统70的第一风箱71并经第二气体输送系统75的第二风箱80将富氧气体引导到反应器腔室内：引导经过第二风箱80的富氧气体被引导经过延伸经过第一风箱71的多个导管140而进入反应器腔室内。这样，具有提高的氧含量的富氧气体的温度可在第二风箱中保持在较低的温度并且刚好在引导到进入反应器腔室15中之前被加热，这使得操作可靠而又安全。
根据本发明的实施例，管道140以可移除方式安装在第一风箱75的底壁76与顶壁77之间，这有利于移除管道以便为了维护和检查目的进入第一风箱75内的空间。在图1中，管道可移动到第二风箱80的空间，该位置通过虚线145示出。还可设想的是，可使用压缩弹簧装置(未示出)紧固管道，这有利于使用基本工具快速移除管道140。
在包括反应器腔室和设置在该反应器腔室的底部区段中的气体分配装置的富氧燃烧循环流化床反应器的操作方法中，气体经气体分配装置50被引导到反应器腔室15内。气体分配装置包括第一气体输送系统和第二气体输送系统，气体经这些气体输送系统被引导到反应器腔室15内。
根据本发明，被引导到反应器腔室内的气体含有再循环气体。再循环的气体被分为多束流，其中所述多束流包括被可控地引导到第一气体输送系统中的流和被可控地引导到第二气体输送系统中的流。
富氧气体被引导到第一气体输送系统中的再循环气流中使得第一气体输送系统中的气体的氧含量小于或等于第一氧含量。另外，富氧气体被引导到第二气体输送系统中的再循环气流中使得第二气体输送系统中的气体的氧含量大于或等于第一氧含量，即，处于提高的氧含量。第二气体输送系统的第二风箱内具有提高的氧含量的气体经受来自反应器腔室的热流量，该热流量通过加热第一风箱内的气体而减小。
根据本发明的优选实施例，将第一风箱内的气体保持在＜300℃的温度，并且将第二风箱内的气体的保持在＜200℃的温度。这样，尽管存在富氧气体，也确保了循环流化床的可靠操作并且最大限度地降低了可燃材料自燃的风险。
第二风箱的表面在提高的氧含量的情况下为防火材料，第二风箱中优选主要为不可燃材料。可通过使第一风箱的基材(比如碳钢)设有防氧化层而进一步改进该装置。这保护了基材免于第二风箱内的富氧气体和温度的作用。根据一个实施例，该防氧化层为第二风箱80的内壁上的衬层135，该衬层属于难溶材料，例如，陶瓷材料。基材，比如碳钢，也可衬有适当厚度的奥氏体不锈钢。也可结合碳钢和不锈钢使用保护衬层和耐热合金涂层。
基材本身可选择成耐受存在富氧气体形成的环境。因此，根据本发明的另一个实施例，防氧化层通过基材本身形成在基材的表面上。例如，可成功地使用镍基或铜基超合金。这些合金是耐氧化和耐腐蚀材料，并且当被加热时，可形成保护表面免于进一步冲击的稳定的钝化氧化物层。
当在部分负荷环境下操作根据本发明的富氧燃烧循环流化床反应器时，本发明由于富氧气体独立于再循环气体的引导被引导的事实而允许流化速度更好的可控性。还显而易见的是，所述的将气体引导到反应器内的途径可包括随后进一步引导富氧气体以便提供如通过附图标记150所示的分级燃烧。
虽然本文已结合目前认为是最优选的实施例以举例方式描述了本发明，但应该理解的是，本发明并不局限于所公开的实施例，而是旨在覆盖其特征的各种组合或改型，以及覆盖包括在如所附权利要求中限定的本发明的范围内的若干其他应用。以上结合任何实施例所述的细节当技术上可行时可用于另一个实施例中。

Claims (17)

1.一种富氧燃烧循环流化床反应器，包括反应器腔室(15)和设置在所述反应器腔室的底部区段中用于将气体引导到所述反应器腔室内的气体分配装置(50)，所述气体分配装置包括用于将富氧气体引导到所述反应器腔室(15)内的第一气体输送系统(70)和第二气体输送系统(75)，其特征在于，所述第一气体输送系统(70)包括第一风箱(71)并且所述第二气体输送系统(75)包括第二风箱(80)，并且所述第一风箱具有与所述反应器腔室共用的壁(77)，并且设置在所述第一风箱下方的所述第二风箱具有与所述第一风箱共用的壁(76)。
2.根据权利要求1所述的富氧燃烧循环流化床反应器，其特征在于，所述第二风箱(80)的表面在所述第二风箱(80)中在提高的氧含量的气体的情况下主要是防火材料。
3.根据权利要求1所述的富氧燃烧循环流化床反应器，其特征在于，所述第二风箱(80)的内壁(135)衬有难熔材料。
4.根据权利要求1所述的富氧燃烧循环流化床反应器，其特征在于，所述第二风箱(80)经由多个导管(140)与所述反应器连接，所述导管(140)从所述第二风箱(80)延伸经过所述第一风箱(71)进入所述反应器腔室(15)内。
5.根据权利要求3所述的富氧燃烧循环流化床反应器，其特征在于，所述导管(140)以可移除的方式进行设置。
6.根据权利要求1所述的富氧燃烧循环流化床反应器，其特征在于，所述反应器腔室设有颗粒物分离器(20)，颗粒物分离器用于对被所述反应器腔室内发生的反应中形成的气体夹带的流化颗粒物进行分离，并且所述颗粒物分离器设有气体出口(35)和用于分离后的颗粒物的出口(30)，并且所述气体出口设置成经由再循环导管(95)与所述第一风箱(71)和所述第二风箱(80)流动连通。
7.根据权利要求5所述的富氧燃烧循环流化床反应器，其特征在于，所述再循环导管(95)经设有第一流量控制设备(108)的导管(107)与所述第一气体输送系统(70)中的第一混合元件(101)连接并且经设有第二流量控制设备(112)的导管(111)与所述第二气体输送系统(75)中的第二混合元件(102)连接。
8.根据权利要求5所述的富氧燃烧循环流化床反应器，其特征在于，所述气体分配装置与富氧气体的源(100)连接。
9.根据权利要求7所述的富氧燃烧循环流化床反应器，其特征在于，所述富氧气体的源(100)经设有第三控制阀(104)的导管(103)与所述第一混合元件(101)连接并且经设有第四控制阀(106)的导管(105)与第二混合元件(102)连接。
10.一种包括反应器腔室(15)和设置在所述反应器腔室的底部区段中的气体分配装置(50)的富氧燃烧循环流化床反应器的操作方法，在所述方法中，经所述气体分配装置(50)将气体引导到所述反应器腔室内，所述气体分配装置进一步包括经它们将气体引导到所述反应器腔室(15)内的第一气体输送系统(70)和第二气体输送系统(75)，其特征在于，以如下方式经所述第一气体输送系统(70)的第一风箱(71)并经所述第二气体输送系统(75)的第二风箱(80)将所述富氧气体引导到所述反应器腔室内：引导经过第二风箱(80)的所述富氧气体被引导经过多个导管(140)，所述多个导管延伸经过所述第一风箱(71)进入到所述反应器腔室内。
11.根据权利要求10所述的富氧燃烧循环流化床反应器的操作方法，其特征在于，被引导到所述反应器腔室(15)内的气体包含再循环气体，所述再循环气体被分为多束流，所述多束流包括被可控地引导到所述第一气体输送系统(70)内的流和被可控地引导到所述第二气体输送系统(75)内的流，并且将富氧气体引导到所述第一气体输送系统(70)中的再循环气流中使得所述第一气体输送系统(70)中的气体的氧含量小于或等于第一氧含量，并且将富氧气体引导到所述第二气体输送系统(75)中的再循环气流中使得所述第二气体输送系统中的气体的氧含量大于或等于所述第一氧含量。
12.根据权利要求10所述的富氧燃烧循环流化床反应器的操作方法，其特征在于，所述第一氧含量大于23vol.-％。
13.根据权利要求10所述的富氧燃烧循环流化床反应器的操作方法，其特征在于，所述第一气体输送系统中的气体的氧含量小于所述第二气体输送系统中的气体的氧含量。
14.根据权利要求10所述的富氧燃烧循环流化床反应器的操作方法，其特征在于，所述第二气体输送系统中的所述富氧气体被输送到所述第二风箱(80)并且经受来自所述反应器腔室的热流量，所述热流量通过加热所述第一风箱(71)内的气体而被减小。
15.根据权利要求10所述的富氧燃烧循环流化床反应器的操作方法，其特征在于，所述第二风箱(80)内的所述富氧气体被引导经过经多个管道(140)，所述多个管道延伸经过所述第一风箱(71)进入所述反应器腔室中并同时被所述第一风箱(71)内的气体加热。
16.根据权利要求10所述的富氧燃烧循环流化床反应器的操作方法，其特征在于，所述第二风箱(80)中的所述富氧气体的温度被保持成低于所述第一风箱(71)中的气体的温度。
17.根据权利要求10所述的富氧燃烧循环流化床反应器的操作方法，其特征在于，调节所述第一氧含量使得所述气体分配装置中存在的任何可燃材料自燃的风险被最大限度地降低。
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