CN102782407B - 流态化床反应器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流态化床反应器装置（10），其中，流态化床反应器至少包括底部（12）、顶部（16）以及在所述底部和所述顶部之间竖直延伸的至少一个侧壁（14.1），所述侧壁被布置成在下部倾斜，使得所述反应器的所述反应室（20）的横截面朝向所述底部减小，所述流态化床反应器装置包括换热室（30），其中，所述倾斜侧壁（14.1）形成所述换热室和所述反应室（20）之间的分隔壁。所述换热室的后壁（34）在连接区域（36）处从所述后壁的上部被连接到所述反应室（20）的侧壁（14.1），使得其方向至少在所述连接部（36）处与所述侧壁的方向对准。

Description

流态化床反应器装置
技术领域
本发明涉及根据本发明权利要求1的前序部分的流态化床反应器装置，其中，流态化床反应器至少包括底部、顶部以及在所述底部和所述顶部之间竖直延伸的至少一个侧壁，所述侧壁被布置成在下部倾斜，使得所述反应器的所述反应室的横截面朝向所述底部减小，所述流态化床反应器装置包括在所述反应室外侧并处于所述侧壁的倾斜区域处的换热室，并且其中，在所述底部和所述顶部之间延伸并且被布置成在其下部倾斜的所述侧壁形成所述换热室和所述反应室之间的分隔壁，并且其中，所述换热室从所述分隔壁延伸到通过所述侧壁延伸的平面的另一侧。
背景技术
流态化床反应器的反应室通常包括水平横截面为矩形的内部，其由四个侧壁、底面和顶面限定，在该内部中，包含固体材料（例如燃料）的床材料借助于流态化气体被流态化，流态化气体通常是氧气，反应室内进行的放热化学反应所需的主要气体。当在流态化床反应器中进行燃烧过程时，该内部，换句话说反应室，被称为燃烧室，并且反应器被称为流态化床锅炉。反应室的侧壁通常还至少设置有用于燃料供给和第二空气供给的导管。
反应室的侧壁通常被制造成包括由管道和其间的翅片形成的嵌板，由此，燃料的化学反应中释放的能量被用于蒸发在管道中流动的水。通常还在流态化床反应器中设置过热器表面以进一步增加蒸汽的能含量。
流态化床反应器可例如是循环流态化床反应器或者沸腾床反应器。流态化床反应器用于各种燃烧过程、换热过程、化学和冶金过程中。在燃烧过程中，流态化床的成分可包括颗粒状燃料，例如煤、焦炭、褐煤、木材、废物或泥煤，以及其他颗粒状物质，例如沙子、灰、脱硫剂或催化剂。
流态化床反应器的一个特征是使用固体床材料作为过程材料。床材料例如充当反应器中的温度稳定成分并且在其内约束了可观的热量。因此，床材料还可用于将热量从反应传递到介质。在流态化床燃烧设备中，通常借助于换热表面在燃烧室和对流部件中进行热恢复，换热表面布置在气流中的颗粒分离器的下游。换热表面（例如，过热器）通常布置在例如反应室的上部中以及与其相继的对流部件中的自由空间中，以便使蒸汽过热。
在流态化床反应器中，本身已知的是将换热室用于从反应室分离的固体，即流态化床换热器，床材料可从反应室供应到该换热室并且例如在固体循环回到反应室的床材料之前在流态化床换热器中冷却。
这种流态化床换热器通常操作成所谓的沸腾床。换热室可布置在反应器本身的内侧或者其外侧。芬兰专利出版物No. FI119916公开了布置在反应器内侧的这种换热室。当换热室位于反应器内侧时，优选地借助于反应器的壁和/或底部来支撑该换热室。
出版物WO 94/22571公开了一种布置在实际的反应室外侧的换热室。该换热室布置成与循环流态化床反应器连接，使得其参与所谓的固体内部循环。在那里，反应室内侧的床材料流的一部分被从反应室直接引导到换热室，并且从那里回到反应室。
出版物US 4,896,717公开了一种位于实际反应器外侧的换热室。这里，换热室被连接到循环流态化床反应器中的固体外部循环，换句话说，被引导到换热室的固体从离开反应室的气体分离。
用于从反应室分离的固体的换热室到实际反应室的支撑和连接是成问题的，尤其在于水平延伸远离反应室（即，至少部分地在反应室的侧壁的平面之外）的换热室需要独立的支撑，该支撑在反应室周围并且从而使得不可能安置辅助设备。例如，美国出版物No. 4,896,717中公开的换热室在固体分离器下方延伸很远，从而实际上其必须被非常牢固地支撑，例如对其进行支撑以防止上方的旋风的影响，由此，其物质的仅仅一部分传递到反应室的壁。
尽管现有技术已知的流态化床反应器本身是有利的，但近来呈现出对于提供改进的流态化床反应器的需要，其中，换热室以改进的方式被连接到流态化床反应器。
发明内容
通过一种流态化床反应器装置来实现本发明的目的，其中，流态化床反应器至少包括底部、顶部以及在所述底部和所述顶部之间竖直延伸的至少一个侧壁，所述侧壁在其下部被布置成倾斜，使得所述反应器的所述反应室的横截面朝向所述底部减小，所述流态化床反应器装置包括在所述反应室外侧并处于所述侧壁的被布置成倾斜的区域处的换热室，并且其中，在所述底部和所述顶部之间延伸并且在其下部倾斜的所述侧壁形成所述换热室和所述反应室之间的分隔壁，并且在所述流态化床反应器装置中，所述换热室从所述分隔壁延伸到经过所述侧壁延伸的平面的另一侧。本发明的特征在于，所述换热室的后壁在连接区域处从所述后壁的上部被连接到所述反应室的侧壁，使得其方向至少在所述连接区域处与所述侧壁的方向对准。
因此，可以通过将换热室基本完全地支撑到反应室而以有利的方式设置换热室的质量力到反应室的传递。因此，换热室的质量力的基本大部分，优选地基本所有质量力被引导到反应室。由此，对于换热室，不需要这种独立的将其支撑到流态化床装置的基座或支撑框架的支撑结构。
根据一个实施例，所述倾斜侧壁形成所述换热室和所述反应室之间的分隔壁。因此，支撑力可被直接传递到反应室，并且结构是牢固耐用和简单的。
根据另一个实施例，经过所述流态化床反应室的侧壁延伸的平面P至少在所述连接区域中与经过后壁延伸的平面对准。因此，在连接部处产生了偏离竖直方向的最小力分量，并且连接部从而是牢固的。
根据又一个优选实施例，所述换热室包括与后壁的两个边缘连接的端壁，所述端壁从所述连接区域延伸到所述换热室的底部，并且所述换热室仅被水平地布置到所述反应室的侧壁的边缘之间的距离的一部分。
根据又一个实施例，在所述侧壁的端部之间的距离中，所述流态化床反应器装置包括多个换热室。
根据又一个实施例，所述换热室的后壁由膜结构形成，并且所述流态化床反应器的侧壁由膜结构形成，所述后壁的膜结构被连接到所述流态化床反应器的供给水系统，并且所述侧壁的膜结构被连接到所述流态化床反应器系统的蒸气系统。由此，所述流态化床反应器装置优选地是一次通过锅炉。
根据又一个实施例，所述换热室的后壁由膜结构形成，并且所述流态化床反应器的侧壁由膜结构形成，在所述连接区域中，第一组膜结构的管道被布置成在倾斜侧壁中延伸，并且第二组膜结构的管道被布置成在所述换热室的后壁中延伸。
根据又一个实施例，尤其当所述换热室在其内包含了预定标称量的以预定方式分布的固体，所谓的床材料的情况下，所述换热室具有一定的重心，并且所述换热室被布置成使得所述重心与所述平面P相遇。
从所附权利要求以及附图中的实施例的描述可以明白本发明的典型的其他附加特征。
附图说明
下面参照所附的示意图来描述本发明及其操作，在附图中：
图1示出了根据本发明的流态化床反应器装置的一个实施例；
图2示出了根据本发明的流态化床反应器装置的换热室的一个实施例；
图3示出了根据本发明的一个优选连接部；并且
图4示出了根据本发明的另一个优选连接部。
具体实施方式
下面在适合时参照图1和图2描述本发明，在图1和图2中，当指代对应的特征时使用相同的附图标记。图1示意性地示出了根据本发明的流态化床反应器装置10的一个实施例。流态化床反应器装置10包括流态化床反应器，其例如具有反应室20、固体分离器18。流态化床反应器优选地是循环流态化床锅炉。图2示出了位于反应器的下部中的流态化床反应器装置的换热室30。
循环流态化床锅炉10包括底部12和顶部16以及在其间延伸的壁14。此外，清楚的是，流态化床反应器包括为了简明而未在这里示出的许多部件和元件。底部、顶部和壁14形成了所述反应室20，其在锅炉中被称为熔炉。底部12还包括格栅25，流态化气体穿过格栅25供应到反应器。循环流态化床反应器还包括固体分离器18，其通常是旋风分离器。固体分离器借助于连接通道22从其上部在接近于顶部处被连接到反应室，反应气体和固体可穿过连接通道22流到固体分离器18。在固体分离器中，固体材料被从气体分离，该固体材料可在可能的处理（例如冷却）之后被再循环回到反应室20，即回到熔炉。为此目的，固体分离器例如借助于返回导管24被连接到反应室20的下部。气体（固体材料已经从其分离）通过固体分离器的气体排放连接部26被引导到用于进一步处理的系统中。
流态化床反应器的两个相对的侧壁14.1、14.2在流态化床反应器的下部中被布置为倾斜，使得侧壁朝向底部12彼此接近。这里，反应室20是四边形横截面，所以除了侧壁之外，其还被端壁限制，关于这一点，仅仅示出了端壁中的一个14.3。壁14包括蒸发管道，其优选地布置成使得反应器针对它们中的所有的热应力基本相等。必须指出的是，在图中，为了简单起见，管道被示作为线，并且实际上连接所述管道的翅片由线之间的距离示出。实际上，流态化床反应器的壁优选地由膜结构31形成，其中，相邻的流动管/通道借助于板状结构的翅片被彼此连接。
流态化床装置10包括用于冷却固体颗粒的换热室30。换热室30布置成与循环流态化床反应器装置10连接，使得其优选地与反应室20具有公共的分隔壁32。分隔壁32是流态化床反应器的下部中的倾斜壁14.1。换热室还包括后壁34，后壁34从其上部连结到流态化床反应器装置的反应室20的侧壁14.1。后壁水平地平行于分隔壁32，并且在它们之间形成了换热室30的内部空间。连接部36被实现为使得可借助于后壁34将质量力传递到反应器的侧壁14.1。在换热室30和侧壁14.1的连接部36中，后壁的方向与侧壁的方向对准。由此，经由后壁34传递到反应室20的侧壁14.1的力的方向基本平行于侧壁14.1，并且连接部36是尤其牢固的。连接部也可被描述为使得平面P通过反应器的侧壁14.1延伸并且由此后壁的一部分被布置成使得通过侧壁14.1延伸的平面P连结通过后壁34的所述部分延伸的平面。因此，该部分延伸到离开连接部的一距离，此后，后壁被引导离开分隔壁32。
换热室30包括端壁38，其与换热室的后壁34的两个边缘相连。后壁34被连接到端壁38至少达距离D，对于该距离而言，后壁34平行于侧壁14.1。端壁优选地也被连接到倾斜侧壁，换句话说，被连接到分隔壁32。端壁优选地被布置到连接部36和底部12之间的区域。由此，侧壁14.1的在连接部36上方的部分保持周围没有端壁，这使得能够更容易地安置其他与反应器有关的装置，例如具体而言用于固体材料的再循环系统和/或用于气体/燃料的供给装置。
换热室设置有流态化床换热器，其包括在所述换热器底部处的用于供应流态化气体的装置40、用于固体材料的入口42和出口44以及换热表面46、48。换热室30从分隔壁32延伸，经过平面P延伸到另一侧，由此，其至少部分地延伸到关于反应室的竖直投影之外，换句话说，延伸到两侧之外。由此，换热室30的后壁34也包括至少一个倾斜部分。后壁34的倾斜相对于分隔壁32的倾斜被引导到相对的方向。尤其当换热室在其内包含了标称量的以预定方式分布的固体材料（也即床材料）的情况下，换热室具有一定的重心G。根据一个优选实施例，换热室被布置成使得重心G与平面P相遇。因此，针对后壁的连接部36中的反应室20的侧壁14.1的应力被以有利的方式分布，并且结构尤其牢固。换热室的重量被布置成经由换热室的端壁分布在侧壁14.1中以及换热室的后壁34中的长距离。在后壁的连接部36处，后壁的平行于侧壁的部分的长度D被确定为使得长度D与相连于换热室30的后壁34的两个边缘的端壁38之间的距离30’的比率至少为0.5。因此，换热室的应力可以以有利的方式分布到后壁。
在与平面P相遇的部分38’中，换热室的端壁38的宽度基本至少对应于后壁34在从连接部36的距离D中离分隔壁32的垂直距离X。因此，后壁34在其边缘中的区域中被连接到端壁，由此在后壁和端壁之间传递的力被以有利的方式分布，相比后壁被连接到端壁的边缘的情况更加均匀。
当反应器被使用时，在反应器中产生流态化床，优选地循环流态化床。在循环流态化床中，固体颗粒的快速流态化床产生了固体在反应室中的内部循环，由此，固体颗粒在反应室的中心部分中主要向上流动，并且沿其侧壁向下流动。此外，固体颗粒水平地运动，导致颗粒高效地混合。大体上更细的固体颗粒被气体夹带到反应室20的上部，从而沿着壁或反应室中的侧面路径向下流动，更粗的颗粒聚集到反应室的底部。
这种内部循环的颗粒沿着侧壁向下流动，并且可被引导通过分隔壁32的开口（所谓的入口42）流到换热室。所谓的沸腾床被布置在换热室内。固体材料从那里被再循环回到反应室中的快速流态化床，并且新的固体材料被连续地添加到沸腾床的上部。换热室也可与固体分离器的返回导管24’连接。在流态化反应器装置中，也可以具有多个换热室，多个换热室中的一部分或全部可被连接到上述固体分离器的返回导管和/或内部循环。
图3示意性地示出了根据本发明的用于蒸汽系统的流态化床反应器装置的优选蒸汽回路联接300，由此，流态化床反应器装置是一次通过流态化床锅炉。这里，供给水系统304包括供给水加热器并且沿着蒸汽/水流动方向位于供给水泵302下游，供给水系统304包括换热室30的后壁34和/或端壁38的膜壁。蒸发器系统306进而包括反应室20的膜壁。过热器系统308可包括例如布置在换热室的流态化床中的换热表面46。
图4示意性地示出了根据本发明的用于蒸汽系统的流态化床反应器装置的另一优选蒸汽回路联接300，由此，流态化床反应器装置是自然循环锅炉。在该实施例中，在沿着蒸汽/水流动方向的下游存在供给水系统304。锅炉的蒸发器系统306包括换热室的后壁34和/或端壁38的膜壁以及反应室20的膜壁。而且，在该实施例中，过热器系统308可包括例如布置在换热室的流态化床中的换热表面46。由此，连接区域36中的分隔壁32的膜结构31的第一组管道被布置成在倾斜侧壁中延伸，并且膜结构的第二组管道被布置成在换热室的后壁34中延伸（图1）。
虽然在本文中已经联系当前所认为的最优选实施例描述了本发明，但应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是意图涵盖其特征的各种组合或修改以及几个其他应用，所述其他引用被包括在如所附权利要求限定的本发明的范围内。因此，换热室也可与固体分离器的返回导管24’连接。通过实施例公开的特征可用于本发明范围内的其他实施例和/或所公开的特征可进行组合以形成各种实体，如果这样的组合是所期望的并且它们在技术上可行的话。

Claims (11)

1.一种流态化床反应器装置（10），其中，流态化床反应器至少包括底部（12）、顶部（16）以及在所述底部和所述顶部之间竖直延伸的至少一个侧壁（14.1），所述侧壁被布置成在下部倾斜，使得所述反应器的反应室（20）的横截面朝向底部减小，所述流态化床反应器装置包括在所述反应室外侧并处于所述侧壁的倾斜区域处的换热室（30），并且其中，在所述底部和所述顶部之间延伸并且被布置成在其下部倾斜的所述侧壁形成所述换热室和所述反应室之间的分隔壁（32），并且其中，所述换热室（30）从所述分隔壁（32）延伸到经过所述侧壁（14.1）延伸的平面（P）的另一侧，其特征在于，所述换热室的后壁（34）在连接区域（36）处从所述后壁的上部被连接到所述反应室（20）的侧壁（14.1），使得所述后壁（34）至少在所述连接区域（36）处在平行于所述侧壁的方向上延伸。
2.如权利要求1所述的流态化床反应器装置，其特征在于，所述换热室（30）被完全支撑到所述反应室（20）。
3.如权利要求1所述的流态化床反应器装置，其特征在于，所述侧壁（14.1）形成所述换热室和所述反应室（20）之间的分隔壁。
4.如权利要求1所述的流态化床反应器装置，其特征在于，所述换热室（30）包括与其后壁的两个边缘连接的端壁（38），所述端壁从所述连接区域（36）延伸到所述换热室（30）的底部。
5.如权利要求1所述的流态化床反应器装置，其特征在于，所述换热室（30）仅被水平地布置到所述反应室（20）的侧壁的边缘之间的距离的一部分。
6.如权利要求1所述的流态化床反应器装置，其特征在于，在所述侧壁（14.1）的端部之间的距离中，所述流态化床反应器装置包括多个换热室（30）。
7.如权利要求1所述的流态化床反应器装置，其特征在于，所述换热室的后壁由膜结构（31）形成，并且所述流态化床反应器的侧壁由膜结构（31）形成，所述后壁的膜结构与所述流态化床反应器的供给水系统（304）连接，并且所述侧壁的膜结构被连接到所述流态化床反应器装置的蒸发器系统（306）。
8.如权利要求1所述的流态化床反应器装置，其特征在于，所述换热室的后壁由膜结构（31）形成，并且所述流态化床反应器的侧壁由膜结构（31）形成，在所述连接区域处，所述侧壁的膜结构的第一组管道被布置成在倾斜定位的侧壁中延伸，并且所述侧壁的膜结构的第二组管道被布置成在所述换热室的后壁（34）中延伸。
9.如权利要求1至8中任一项所述的流态化床反应器装置，其特征在于，当所述换热室包含了预定量的以预定方式分布的固体材料，也即床材料的情况下，所述换热室（30）具有一定的重心（G），并且所述换热室被布置成使得所述重心（G）与所述平面（P）相遇。
10.如权利要求1所述的流态化床反应器装置，其特征在于，所述后壁（34）在连接点处在平行于所述侧壁的方向上延伸达一距离，其长度（D）被确定为使得长度（D）与换热室（30）的后壁（34）的端壁（38）彼此之间的距离（30’）的比率至少为0.5。
11.如权利要求4所述的流态化床反应器装置，其特征在于，在与所述平面（P）平行的所述后壁（34）的部分中，所述换热室的端壁（38）的宽度至少对应于所述后壁（34）离所述分隔壁（32）的竖直距离（X）。
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