CN1022292C - 快速流化床反应器 - Google Patents

Abstract

本文介绍一种下面部位具有向下和向内倾斜壁的快速流化床反应器。使壁面或一个凸缘或隆起物改变方向而使靠近壁向下流动的粒子改变方向，这样粒子就离开壁朝内进入能受到喷嘴喷出的流化气体作用的区域。改变方向的支撑块或突出物最好安排在沿着耐火壁面在栅板之上200--1100mm的高度上。用这种方式即可以防止喷嘴的堵塞，而且流态化和燃烧的过程也更为有效。

Description

本发明涉及快速流化床反应器内燃烧室下部位周壁的几何结构。该壁一般是向下和向内倾斜的，并独特地具有一层比较稠密的粒子膜层紧靠着壁表面向下流动。当这一稠厚的粒子流到达燃烧室底部的栅板时常造成问题，因为从栅条喷嘴或开孔出来的流化气体并不能完全满意地把粒子流态化。靠近栅板处的粒子和气体的脉动会引起栅漏，主要是通过头三排周围的珊条喷嘴。

快速流化床反应器一般用于多种不同的工艺过程，例如燃烧、气化和热传递。快速流化床反应器还用于热发生以及化学和冶金工艺过程。根据特殊的工艺过程，粒状燃料例如煤、褐煤、废木和泥煤以及其他粒状物质如沙、石灰石、石灰渣、催化剂和金属氧化物都在反应器中流态化。就快速流化床反应器而言，也可采用非常细的粒状物质，如10-300um。

用于燃烧过程的快速流化床反应器包括一个垂直的燃烧室，燃烧室具有基本上是垂的周壁。燃烧室下面部位的壁通常向内倾斜（偏斜）并且做成耐火壁以经受住燃烧室底部部位的热。反应器的上壁制成管壁。燃烧室有一个或多个待燃烧粒状物料的进口。反应器还配有其他粒状物料如为捕获硫用的石灰石的进口。二次空气（进风）的进口可以装配在周壁的不同高度上，一次空气通常是经由一个风箱或者位于燃烧室下面的空气室送入燃烧室的。空气是通过介于燃烧室和风箱之间的栅板上的喷嘴或开孔送入的。在快速流化床内，通过喷嘴送入的空气的速度必须足够使粒子在燃烧室内流态化能达到这样一个程度，即相当一部份粒子能随着废气排出燃烧室。在床内气流的速度大约是每秒2-10米。只有将气体夹带的并由一个高效分离器从气体中分离出的粒子在燃烧室内循环才能维持一个床。在燃烧室内固体粒子的浓度随着室的高度逐渐降低，但并不显示出稠密床层和高区之间明晰的分界线。

虽然气体的速度很高，但燃烧室内固体粒子的速度相对来说比较低。快速床状况的特点是较高的固体粒子浓度和粒子聚成团状或束状。细的粒子在燃烧室内向上流动，形成粒子团后因自重又逆着气流落下。粒子团分裂开，但很快地又继续重新成形。粒子在反应器内的这种效应使整个反应器内的温度得到均匀。由于气体和固体粒子之间的有效接触，就能在燃烧器内获得高的热传率以及其他各种反应的高反应速率。碳的燃烧几乎达到完全燃烧，而捕获硫用的石灰石利用率也是很高的。

在燃烧室特定的位置处有同时朝上和朝下的质量流。在燃烧室内，绝对质量流变成径向的和轴向的。绝对的朝上质量流在燃烧室的中心线处达到最高值，而朝下的质量流则在靠近周壁处为极限值。因此，粒子悬浮体的密度以及质量流朝着燃烧室的下面部位逐渐升高，造成在燃烧室底部的周壁处附近形成向下流动的粒子厚膜层。向下流动的稠密粒子膜层厚度可以是10-50mm，在稠密膜层内部还有多层密度减小和向下速度降低的附加的粒子膜层。稠密的膜层引起在栅条处的脉动、喷嘴的堵塞和粒子倒流入风箱。倒流局限于周壁和栅板之间的接界区域，这可以从细微的含碳素粒子进入风箱时所发出的火花观察到。

当流化床反应器按比例增大时，沿着倾斜壁向下流动的稠密粒子膜层也增加，随之而来的是与此有关的问题也增加了。对于燃烧过程以及其他在燃烧器内发生的各种反应来说，引入到下面部位的粒子和喷气流必须尽可能地深入至反应室的内部，这 是很重要的。但在下面部位的稠密床阻止粒子和气体深入地进入床内。为克服这一问题，燃烧室在下面稠密部位的模截面面积的大小必须设计成使从侧壁来的粒子或喷气流几乎能到达燃烧室的中部。由于燃烧而使气流增加，因而模截面面积在朝上的方向必须增大。则边壁也必须朝上和朝外倾斜。如果栅条面积是上部横截面面积的大约50%，则侧壁在下面部位的突出投影也是上部横截面面积的周围面积，因此，侧壁将接受基本上全部向下流入燃烧室周围面积的粒子。

向下流动的粒子膜层干扰燃烧室内粒子的流态化和混合。最佳操作条件要求一个稳定而相等的流化和燃烧空气。气流中的脉动对燃烧效应以及在燃烧器中发生的其他各种反应有着极不利的影响。

由于被流态化的物料非常细，在快速流化床反应器中，粒子通过喷嘴的倒流特别成问题。细微粒子能够很容易地流入喷嘴的开孔中，干扰通过喷嘴的空气供应，以及将喷嘴完全堵塞。物料倒流入风箱又会造成微细含碳物料的丢失。

如果微粒由于反应器内的脉动来回从喷嘴开孔中穿过，粒子会造成喷嘴过早地磨损。

曾有过建议，如果将栅板上的压力差保持足够地高或者将流化空气的流量增大，就能避免倒流。但是靠近周壁的喷嘴的倒流趋向是很不容易避免的。在某些反应器中，喷嘴开口中的速度必须增高到相当的程度，如每秒60米，才能避免倒流，这就需要增大鼓风机的功率要求。当然也可能只增加有关喷嘴的速度，但这就需要一个相当复杂的设备，从不同的空气供应装置向喷嘴提供空气。也有过建议，使用特殊设计的喷嘴来避免倒流，但是对于向下流动至栅条区域的粒子厚膜层也还是解决不了问题。

虽然流化床内粒子倒流的问题是一个熟悉的问题，也提出过不少解决方案，但是这些解决方案并不全是成功的。由于倒流和在周围栅条区域的脉动的原因还没有彻底明白，因此一般都认为目前还没有一个反应器下面部位的最佳设计方案，所谓最佳设计方案即指能提供一个分布均匀的流化气体进入反应器，床物料的良好混合，以及在反应器中产生反应的最佳条件。

本发明的一个目的就是提供一种流化床燃烧室内下部周壁的设计方案，它能减少或消除上述的倒流，喷嘴堵塞和脉动等问题。

本发明的另一个目的是提供一种流化床燃烧室内下部周壁的设计方案，它与靠近壁向下流动的较稠密的粒子膜层相干扰。

本发明还有一个目的室提供一种流化床燃烧室内下部周壁的设计方案，它能促进沿着燃烧室壁向下流动的粒子膜层的流态化作用。

根据本发明的全面设想所提供的快速流化床反应器包括改变在栅板之上200-1100mm高度处粒子流动方向的装置，这些粒子靠近燃烧室下面部位的倾斜壁向下流动。改变粒子方向的装置安装在离栅板＜1100mm的高度处，这个改变装置使粒子朝向离开该斜壁的方向流动。

燃烧室下面部位通常倾斜的壁最好用耐火材料制成，最好能达到栅板之上2-4m的高度。干扰沿着倾斜壁的粒子流的装置安装在沿着耐火壁较低高度处，如果这个破裂粒子膜层的装置安装在较高的位置，那么一个新的粒子流可能又在壁上生成。

在多数反应器中，两个相对的壁，前壁和后壁在底部部位处是倾斜的。反应器室的截面多数都是矩形的，前壁和后壁是长壁而两侧壁则较短。前壁和后壁与地平面形成约100-120度的角。而侧壁与地平面大概只有90-100度的角。在某些实施例中，只有一个壁是倾斜的，在圆形截面的反应器中，下面部位的壁呈锥形。干扰向下流动粒子膜层的装置最好连续地伸展，模跨斜壁的整个横宽度，但是需要时也可以做成不连续的。

粒子物料（如新加的燃料、石灰石和再循环粒子）以及二次空气的进口，最好位于粒子流干扰装置高度之上的地方。

置于倾斜壁的梯阶可以有效地使粒子膜层离开该壁。梯阶可以设在高出栅板200-1100mm处。梯阶改变了向下流动粒子的方向，使其朝着向内的方向横过来自栅板喷嘴或开孔的流化喷气流。于是这气体把至少一部份被气流夹带的粒子流态化。用于干挠粒子膜层的梯阶优选位置是在栅板之上的300-1000mm处，最好是在栅板之上的300-700mm处。梯阶的高度很容易调节，使之适合于反应器中的质量流。梯阶的优选深度是50-300mm或者更好是100-150mm。此外，重建燃烧室下面部位的耐火部份以形成一个根据本发明 的梯阶也是不难做到的。

沿着斜壁的粒子膜层也可以用一个安置在栅板之上200-1100mm高度处的凸缘使之扰乱和分裂。凸缘可以设计得到将粒子膜层流向一个较合适的方向。凸缘可以很容易地固定在耐火壁的适当高度处。

也可以仅改变壁的倾斜使与地平面成＜100度的角而扰乱粒子膜层。在一个最佳实施例中，耐火壁的最低部份制成基本上是垂直的。该壁甚至可以在栅板上面200-1100mm处形成＜90度的角。

本发明还涉及一个快速流化床反应器操作方法，这方法包括改变沿着燃烧室下面部分内周壁向下流动粒子的方向，改变在栅板上面200-1100mm高度处粒子的方向和使粒子顺着一个方向流动，进入喷气流的范围，这喷气流是通过栅板中的分布器提供的。

本发明的主要目的是提供均匀分布的流化气体和改进反应器内燃烧和热传递的工艺过程，同时要防止固体粒子倒流入气体喷嘴和减少燃烧室下面部位沿着斜壁流动的稠密粒子流。

在固体粒子和气体之间发生的其他反应也因为粒子的更加均匀的流态化而得到了改善。当然，减少了喷嘴的堵塞趋向也是一种改进。

在本发明的一个最佳实施例中，快速流化床反应器包括一个直立的燃烧室，燃烧室具有一个般为垂直周壁的上面部和一个至少有一面周壁是一般为向下和向内倾斜的下面部位，以使较稠密的粒子层朝下靠近其表面流动，一个燃烧室进口以备粒状物料产生反应和一个设置在燃烧室上面部位的废气出口。一个风箱位于燃烧室的下面，用于向燃烧室提供流化气体，还带有一个位于风箱和燃烧室之间的栅板，栅板上具有许多开孔，用于以足够的速度向燃烧室提供来自风箱的气体，以使燃烧室内粒状物料流态化并使一部份粒状物料随着排出的废气送出燃烧室之外。一个粒子分离器连接在废气出口上，用以分离出废气中夹带的粒子，分离器有一个净化气体出口和一个粒子出口，后一出口连接在燃烧室的下面部份用于将分离出的粒子回收至燃烧室内。在斜壁的内部和栅板的上部设有为改变靠近斜壁向下流动粒子的方向的装置，以防止粒子在开孔处堵塞和经由开孔倒流入风箱内。这改变装置配置在斜壁附近，以使粒子导向离开该壁的方向。

本发明的另一方面是提供了快速流化床反应器的操作方法，用于燃烧粒状物料，这方法包括下列步骤：以足够的速度通过栅板上的分布器向燃烧室提供流化气体，以使粒状物料流态化，并将相当一部分的粒状物料随着废气送出燃烧室;从废气中分离出粒子，并将分离出的粒子回收至燃烧室;改变沿着燃烧室下部周壁而向下流动粒子在栅板上面200-1000mm高度处的方向，从而使粒子受到从栅板上分布器中流出的气体的影响。

在说明书中，利用一个带有燃烧室的快速流化床反应器来说明本发明，但本发明也能用于快速流化床反应器的其他工艺过程。

本发明的上述及其它目的和优点将在以下的叙述中结合从属权利要求和附图作更明确的说明。

图1是本发明的一个实施例的快速流化床反应器的截面侧视简图;

图2是图1中燃烧室下面部份的纵向截面放大简图;

图3至图6是本发明其他实施例的燃烧室下面部份纵向截面的放大简图。

下面将对本发明的最佳实施例结合附图作详细说明。

图1显示快速流化床反应器用于在反应器的燃烧室2内燃烧粒状含碳物料。燃料从燃烧室下面部份的一个进口3送入。石灰石从另一进口4送入，用以俘获从燃料中释放出来的硫。在燃烧室内的粒状物料受到从燃烧室下面的内箱或空气室5送入的空气的流态化作用并开始燃烧。空气是通过栅板7上的开孔或喷嘴6分布出来的。如果用空气以外的气体来流态化粒状物料，则必须通过特定的空气喷嘴以送入供燃烧用的空气。

流化空气具有足够的速度能使相当一部份粒状物料随着废气被送出燃烧室外。废气通过出口8被排送至旋风分离器9。来自燃烧室气体夹带的粒子被这高效旋风分离器9从气体中分离出来。被净化的气体从出口10排出旋风分离器。分离出来的粒子通过分离器粒子出口11，回收通道12和燃烧室壁上的开口13至燃烧室再循环。

燃烧室上面部位15的壁14是垂直的管壁。而下面部位17的壁16最好做成倾斜的耐火壁。

在倾斜耐火壁的最下面部分19处有一个梯阶18。从图2中可以看到，向下流动的粒子层20的 方向被耐火壁最下面部份的梯阶18所改变。粒子被导向燃烧室的中央并被靠近耐火壁的喷嘴喷出的空气流态化。

图3显出了本发明另一个实施例。耐火壁16在其最下面部份19处重新改建壁的最下面部份19离栅板大约200-1100mm的一个点21处基本上是垂直的。图4显示本发明又一个实施例。耐火壁的最下面部份19与地平面倾斜成＞90度的角，但是比耐火壁的主要部分的倾斜度要小。图5显示了又一个本发明的实施例，在其中，最下面部份19与地平面形成一个＜90度的角。

图6显示了本发明的一个实施例，其中，在耐火壁16的栅板7上面200-1100mm处设置了一个凸缘22。凸缘22将改变向下流动粒子的方向，并防止细粒堵塞栅板中的开孔6。

虽然本发明是结合目前认为最实用和最佳的实施例子预以叙述的，但是很明显，本发明并不仅限于所公开的实施例，而正好相反，是准备包括附属在后的权利要求的精神和范围之内的各种变更和相同的设置。

Claims (23)

1、一种快速流化床反应器，其特征在于它包括：

一个直立的燃烧室，燃烧室有一个大体上是垂直周壁的上面部位和至少是向下和向内倾斜的周壁的下面部位，用于使较稠密的粒子层靠近其表面向下流动；

一个该燃烧室的进口，用于使粒状物料起反应；

一个位于该燃烧室上面部位的出口，用于排除气体；

一个位于该燃烧室下面的风箱，用于向该燃烧室提供流化气体；

一个位于该风箱和该燃烧室之间的栅板，该栅板上有开孔用于以足够的速度从该风箱向该燃烧室供应气体，以使燃烧室内的粒状物料流态化，并将一部份粒状物料随同排出的废气一起送出燃烧室外；

一个连接在该废气出口上的粒子分离器，用于从废气中分离出夹带的粒子，该分离器有一净化气体的出口和一个粒子的出口，后者连接在燃烧室的下面部份，用于将分离出的粒子回收至燃烧室内；

设在该斜壁之内和该栅板之上的装置，用于改变靠近斜壁向下流动粒子的方向，以防止粒子堵塞开孔和通过开口倒流入风箱内；

该改变装置设置在邻近斜壁的地方，以使粒子朝着背离壁的方向流动。

2、根据权利要求1的快速流化床反应器，其特征在于该改变装置位于该栅板之上200-1100mm的高度上并邻近这壁在离栅板小于1100mm的高度上。

3、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于该燃烧室在其下面部位包括一个第二个大体上朝下和朝内倾斜的壁，并设置在所提到的第一个壁的对面。

4、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于围绕燃烧室下面部位整个周边的壁大体上是朝下和朝内倾斜的。

5、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于这下面部位呈圆锥形的壁。

6、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于下面部位的壁是耐火壁。

7、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于倾斜壁与地平面形成一个从100度至小于120度的角。

8、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于改变粒子向下流动方向的装置设置在低于粒状物料进口的高度处。

9、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于它包括一个开向燃烧室的进口，用于使被分离的粒子流入燃烧室，该改变装置设置在低于该进口的高度处，用于使被分离的粒子流入该燃烧室。

10、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于该改变装置有一个面用于将粒子导向能被流化气体夹带的位置。

11、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于该改变装置包括一个壁面，这壁面与该斜壁形成一个角，并与地平面形成一个小于100度角。

12、根据权利要求11的流化床反应器，其特征在于该改变装置包括一个壁面，这壁面与该斜壁形成一个角，并与地平面形成一个基本上等于90度的角。

13、根据权利要求12的流化床反应器，其特征在于该向下和向内倾斜的壁在其最下面部份，离栅板不倒大约200-1100mm处成为垂直状。

14、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于该改变装置包括一个壁面，这壁面与该斜壁形成一个角，并与地面形成一个小于90度的角。

15、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于在斜壁的最低处及该栅板之上200-1100mm的高度上设置了一个梯阶。

16、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于在斜壁的最低部份在该栅板之上约300-1000mm的高度上设置了一个梯阶。

17、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于在斜壁的最低部份及该栅板之上约300-700mm的高度上设置了一个梯阶。

18、根据权利要求14的流化床反应器，其特征在于这梯阶的深度为50-300mm。

19、根据权利要求14的流化床反应器，其特征在于这梯阶的深度为100-150mm。

20、根据权利要求1的流化床反应器，其特征及栅板之上200-1100mm高度上的凸缘。

21、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于该改变装置设置在供应流化空气的喷嘴之上的高度处。

22、根据权利要求1的流化床反应器，其特征在于该改变装置大体上水平向地连续伸展，横跨整个斜壁的宽度。

23、一种燃烧粒状物料的快速流化床反应器的操作方法，其特征在于包括下列步骤：

以足够的速度通过栅板中的分布器，将流化气体供应给燃烧室，以使粒状物料流态化，并将相当一部份的粒状物料随同废气从燃烧室中排出;

从废气中分离出粒子，并使分离出的粒子流回燃烧室再循环;

使燃烧室内离栅板200-1000mm高度处沿着周壁下面部份向下流动的粒子改变方向;

使粒子朝着一个方向流动，以致粒子能受到通过栅板中分布器流出的气体的影响。

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