CN1039936C - 包含一个蒸汽冷却的旋风分离的流态床蒸汽发生系统 - Google Patents

Abstract

一种液态化床蒸汽发生系统，其中在燃烧炉部分与热回收部分之间设置有一个旋风分离器。旋风分离器的外壁设置有许多根汇集来自蒸汽锅筒的流体的管子，流体在通向热回收部分之前流过旋风分离器的外壁使外壁得到冷却。

Description

包含一个蒸汽冷却的旋风分离的流态床蒸汽发生系统

本发明与流态化床蒸汽发生系统有关，更具体而言，这个系统具有一个由系统产生的蒸汽所冷却的旋风分离器。

液态化床燃烧系统是众所周知的，在这些装置中空气通过细碎粒子床层使该床层流态化，达到促使细颗粒燃料在相对低的温度下燃烧。细碎粒子层包括化石燃料(例如煤)以及能吸附煤燃烧过程放出的硫的吸附剂，水用以参加流态化床层的热交换以产生蒸汽。燃烧系统包含一个分离器，它能使来自燃炉部分的流态化床的烟气中带有的细碎颗粒分离出来，并使这些粒子循环送回流态化床中，于是产生了一系列具有吸引力的效果一高效能燃烧，硫的吸附百分率高，二氧化氮析出量低。以及可以灵活的选用燃料。

在这系统的燃炉部分最典型的流态化床常被称为“鼓泡式”流态化床。细碎粒子床层具有相当高的密度及轮廓分明或界限分明的上表面，其它类型的液态化床利用“循环”流态化床层这种技术，流态化床层的密度可比典型的鼓泡型床层的密度低，空气流速等于或大于鼓泡式床的流速，进气管道来的气体，通过流态化床层时带有数量相当可观的小的固体细颗粒，实际上气体中细颗粒的含量达到了饱和的程度。此外，循环流态化床具有固体粒子的循环使用相对好的特点。该特征使得循环流态化床对燃料的热排放方式不敏感，因此温度的变化减至最小，就使NiO₂的析出降低到最小程度，固体粒子的高效循环提高了用以从气体中分离出粒子使粒子循环使用的机器设备的效率。因此产生的效果一硫的吸附率的提高和燃料滞留时间的延长，减少了吸附剂和燃料的消耗。

然而，这类流态化床也有一些不足，例如常常需要增加昂贵的冷却面积来使锅炉中产生的蒸汽过热，并且控制该系统产生的蒸汽温度范围也有困难。还有，这些类型的流态化床用在系统中，例如用于包含有一个或多个旋风分离器的蒸汽发生器。通常在分离器的下半部连接有料斗用来收集分离器分离出的固体粒子。分离器和料斗外包有一个整体的耐气体冲蚀的绝热耐熔壁，得以使外壳体保持相当低的温度。然而，为了达到隔热的目的，这些壁必须相当厚，因而加大了分离器和料斗的体积重量和价格。还需要相当长的控制起动和停机时间来防止耐熔壁的龟裂。此外，这种设计构造的金属外壳不能与外部进一步隔热，因为这样做会使其温度升到高达1500°F，远远超过了金属外壳所能承受的最高温度。更进一步来看，按上述方式安装的常规分离器在联机使用前需要一个相当长的预热过程来消除耐熔壁的过早龟裂，这是不方便的而且增加了生产过程的耗资。

此外，利用流态化床和旋风分离的系统，在流态化床燃炉和分离器之间，旋风分离器和热回收部分之间都要有相当贵的用高温耐火材料衬里的管道和膨胀连接管，这些装置既复杂耗资又大。

本发明的目的是提供一种利用流态化床锅炉的蒸汽发生系统，该系统克服了以上提到的前系统的一些缺点。

在本发明中，一个旋风分离器设置在蒸汽发生系统中燃炉部分和热回部分之间，旋风分离器壁上装有管子，这些管子可从蒸汽锅简通入蒸汽，蒸汽通往热回收部分之前先通过旋风分离器的壁，使壁得以冷却。燃炉部分产生的带有细碎粒子原料的烟气送入旋风分离器去分离。被分离的细碎粒子被重新送进燃炉部分，而分离过的气体被送到热回收部分。

在上述类型的系统中，可以不需要过热的表面层，对被加热流：体温度范围的控制也得到改善，旋风分离器的外表面也可稳定地保持在相当低的温度。该旋风分离器与常规分离器相比体积小，重量轻，耗资少。

此外，热损失也有所减少，对内部耐熔融热层的要求减到最小限度。因此，对燃炉与旋风分离器之间、旋风分离器与热回收部分之间的昂贵的高温耐火衬里管道和膨胀连接管的设置都减到最小限度。更进一步，上述类型的系统也可实现起动及载荷变化快的要求。

通过以上简明的介绍，再参阅附图对以下结合本发明的最佳但又不仅仅是例证性的实施例的更详尽的描述，将会对本发明的目的、特征和优点能更深入的领会。

图1是表明本发明系统的简图；

图2是图1中沿2-2线的横剖视图，

图3和图4是与图1类似的视图，分别示出按本发明可供选择的实施例，

参阅图1，位号10总体上指的是本发明的流态化床燃烧系统，其中包括一个燃炉部分12，一个旋风分离器14，一个热回收部分16，燃炉部分12包含一个立式外壳18，和一个设置在外壳下端部分用来从外界吸取空气的压力通风系统20，空气分配器或护栅22设置在外壳18的下端和空气压力通风系统之间，让压力空气从压力通风系统往上通入外壳18。构成外壳体18的后壁上半部的管子，弯曲出壳体壁形成出口18a，使带有细碎粒子的烟气流出，这将在下面详细描述，设置有一个或多个穿过外壳18的进口24，把细碎粒子引进壳体，细碎粒子可包含煤或相当细颗粒的吸附剂，例如石灰石，用来吸附燃烧时煤所产生的硫，吸附是按已知的方式进行的。从压力通风系统20来的空气使细碎粒子流态化，这将在以下描述。可以理解有泄出管子与空气分配器22和/或外壳18的壳壁上的开口部对齐来从壳体中排出燃烧过的细碎粒子。

壳体18的壳壁是由许多平行有间隔的管子竖直延伸构成的，各管子之间设置有连续地沿管子直径方向外延并与相邻的管子焊接的肋片(未示出)，这些肋片与管子构成不透气结构。因为这是一种常规性构造，管壁的情况将不做进一步描述。

系统中布置有流体输送管线，使得水、蒸汽和/或水蒸汽混合物(以下简称流体)通过管道并使它加热至能用来作功的程度，例如去驱动蒸汽涡轮机，所以集汽管(为方便起见图中未示出)置于构成壳体18的壳体壁的上下两端来把流体从构成壳壁的管子引进或引出。一个自然循环的蒸汽锅筒32由导管34和36以及其他导管和集汽管(图中未示出)连到壳体18的壳壁形成液体流动循环，这在以后将加以描述，这个流动循环包括一个下气道38，它把蒸汽锅筒32的上部与旋风分离器14连接起来。旋风分离器14可包含一个上顶部分40，一个圆锥形的下斗形部分42和层中的圆柱形区段44。一个下环形集汽管48设置于斗形部分42的下端部，而一个上环形集汽管50设置于上顶部分40的上面。40，42和46都是由一组连续的、彼此间隔、平行的管子52构成，管子52跨越分离器14的整个长度，其下端与集汽管48连接，上端与集汽管50连接，正如图2中清楚示出，各管道52之间有间隔，而肋片54是连续地沿每根管子的径向外延各自与邻近的两根管子焊接。这样形成的结构位于内层耐熔材料56和外层隔热材料58之间，耐熔材料可以是相当薄的高导热性能耐熔层，而隔热材料58可以是任何一种常规设计。

进口60设置于圆柱形区段44的内部，它可由管子52的一部分使之从圆柱形区段表面向外弯曲而形成，详细介绍在美国专利第4,746,337号上，该专利转让给本发明的受让人，具体内容可参阅该专利。

斗形部分42是从中间区段44开始使管子52径向向内弯曲构成，而上顶部分40是由管子52按一定角度径向向内弯曲(参阅位号52a)随即以一定角度向上弯曲构成(参阅位号52b)。一根内管或套管62置于圆柱形区段44内，它是由固态金属材料构成，如不锈钢。该管子上端稍稍伸出于上顶部分40，管子62直接伸到环形开口处，该开口是位于弯管部分52a和52b的顶点所限定部位，环形腔64是由管子62的外表面和圆柱形区段44的内表面构成的，详情下述。

泄出管66从斗形部分42的底端伸出连到密封罐68上，而密封罐又由管69与外壳18的后壁相连，管69与外壳18后壁上的开口对齐。从旋风分离器14循环回来的细碎粒子通过管69循环回到壳体内，这将在下面详述。

蒸汽锅筒32通过下气道38和支管38a和38b连到下环形集汽管48上，从蒸汽锅筒32出来的流体经下气道38在重力作用下到达管38a和38b，然后通过自然对流沿管38a和38b往上到达环形集汽管48并且通过自然对流经过旋风分离器14的管子52。虽然为了便于表示而在示意图上没有画出，但还是可以理解，燃炉部分12的出口18a是通过适当的气道、外壳或类似的装置连到旋风分离器14的进口60的。带有细碎粒子物质的烟气从外壳18进入旋风分离器的环形腔64，颗粒物质在环形腔内建立的离心力的作用下按常规方式从烟气中分离出来，分离后的烟气由对流作用在旋风分离器14内上升，而后由管62排出，虽然为便于表示而在图中未画出，还是可以理解，旋风分离器14的管道62通过导管或类似的连接装置而与热回收部分的上半部分形成的入口连接，这在下面将加以叙述。

热回收部分16包含一个外壳70，外壳壁是由许多管子组成的，它们的连接方式同上面描述的外壳18的壳壁连接方式相同。构成热回收面积的上下壁的端部连到上述的包括蒸汽锅筒32在内的流体管线，例如，导管74通过支导管74a和74b连到旋风分离器14的上环形集汽管50上。分别置于热回收部分16的前壁上端和后壁上端的两个集汽管76各自通过支导管74c和74d连到导管74上。由许多未热交换管构成的一对初级过热器80a和80b，一对未级过热器82a和82b以及一对节热器84a和84b都置于壳体70内并且都与集汽管88相连。很容易理解，集汽管88与上述包括蒸汽锅筒32在内的管线或与蒸汽涡机相连接，或者与这两者都连接。

构成壳体前壁上端的管子弯出壳体壁表面形成进口70a，来收集从旋风分离器14的管子62出来的气体。

气体按图1虚线所示流进壳体70，在壳体70内气体依次通过过热器80a，80b，82a，82b以及节热器84a和84b。如图中虚线所示，在壳体70的后壁有一出口70b，用以泄出气体。

从旋风分离器14内析出的固体细颗粒经过分离器斗形部分42穿过泄出管66进入密封罐68并经导管69最终注入壳体18。

在操作过程中，从入口24来的细碎粒燃料引入壳体18，如果需要，吸附剂原料也可按类似方式引入。从外部压力源来的压力空气穿过压力通风系统20，空气分配器22而进入壳体18使颗粒原料流态化。设置有一个点火燃烧器(图中束示出)或类似的装置来点燃颗粒燃料，当燃料温度达到相当高的程度时，更多的燃料就会从进口24进入壳体18。壳体18内的燃料被燃炉部分12的热量加热燃烧或气化，空气与燃烧形成的气体混合气(以下均称之为烟气)向上穿过壳体18时，从18内带走或淘选出细碎粒原料。进入的空气经过压力通风系统20，空气分配器22到达壳体18内的速度要根据壳体18内细碎粒原料的大小能形成循环流动的流态化床而确定，即细碎粒原料的流态化程度要达到流动的气体，能携带或淘分原料的程度，因而烟气进入壳体18的上部时带有的细粒基本上已达到饱和。饱和的烟气穿过壳体18的上部通过出口18a泄出，随即通过导管(未示出)到达分离器14的进口60，如图1中虚线所示。进口60的布置要能使带有细颗粒的烟气大体上沿切线方向进入，腔室64形成旋转气流。流体中央带的固体碎粒在离心力的作用下撞向园柱形区段44的内壁，集聚并由重力作用下落进入斗形部分42。相对来说仍滞留在腔室64内比较纯净的气体向上流动时被上顶部分40挡住，因而从管62的下端进入管内，并流经管的全长从管的上端部流出，接着气体穿过导管(未示出)到达热回收部分16的进口70a并向下经过外壳70的金长并通过过热器80a，80b，82a和82b及节热器84a，84b后，由出口70b流出通向外部设备。

集聚在蒸汽锅筒32内的流体分离为液体和蒸汽，相对较热的流体—蒸汽由自然对流的作用上升到达蒸汽锅筒的上部，而相对较冷的流体——液体沉降在锅筒的下部。锅筒上部的蒸汽通过管子38，38a和38b进入旋风分离器14的下环形集汽管48并由对流作用向上经过许多平行布置的管子52，由于蒸汽的温度低于旋风分离器14的温度，更具体说是低于分离器内的烟气温度。这样，分离器的温度得以下降。蒸汽由上集汽管50所集聚并经过管子74a，74b，74，74c和74d到达热回收部分16的集汽管76。随即蒸汽向下经过构成外壳70的壁的全长到达下集汽管(未示出)，下集汽管是与包括蒸汽锅筒32在内的管线连接的。分离器中分离出的细碎颗粒经过斗形部分42、管66，密封罐68再通过管69注回进入外壳18内的流态化床内。从蒸汽锅筒出来的蒸汽向下通过分离器14的下端随即又向上通过许多根平行布置的管子52再通向热回收部分。

图3，图4的两个实施例与图1和图2中所示的实施例是类似的，并包含有相同的部件，故标出的位号也相同。图3所示的实施例中，位于分离器14下部的环形集汽管分隔成两个单独的区域48a和48b，从蒸汽锅筒32上部出来的蒸汽向下穿过下气道38随即又向上通过支导管38a到达环形集汽管区域48a，从该区域蒸汽又向上穿过大体上构成左半部分离器14的平行管子52(参阅图3)。位于分离器14上部的环形集汽管也分隔为两个单独的区域50a和50b，分别与构成分离器14的左半部和右半部的多根平行管子52相连接，因此向上穿过构成分离器左半部的管子52的蒸汽进入环形集汽管区域50a又经过导管74′进入环形集汽管区域50b，随后再向下通过构成分离器14右半部的管子52到达下环形集汽管区域48b并从该区域通入支导管38b。一根上升管75是与支导管38b相连接的，它还包含支管75a和75b，它们各自与热回收部分16的集汽管76相连接，因而使蒸汽流经外壳70的壁部，这已结合前面介绍的实施例作了描述。因而，按照图3的实施例，蒸汽先是向下通到分离器14的下部，向上经过分离器的一部分，随即又向下经过分离器的另一部分，再向上通往热回收部分16，最后向下穿过热回收部分流出。

按照图4的实施例，两个下环形集汽管区域48a和48b是与分离器14的管子52的下端流体上沟通达已结合上述的实施例作了叙述，两个上环形集汽管区域50a和50b是与分离器14的管子52的上端流体上沟通的，按图4的实施例，导管90伸出于蒸汽锅筒32的上部并通过支导管90a，90b分别与环形集汽管50a50b相连接，导管92通过支导管92a和92b分别与下环形集汽管区域48a和48b相连接，导管92也过支导管92c与92d分别接到热回收部分16的集汽管76上。

按图4所示实施例蒸汽从蒸汽锅筒32的上部流出，通过导管90，支导管90a和90b分别进入上环形集汽管区域50a和50b，蒸汽从上环形集汽管区域50a流出，向下通入构成分离器14左半部的多根管子52，而从上环形集汽管区域50b流出的蒸汽向下通入构成分离器14右半部的多根管子52，如图4中所示，下环形集汽管区域48a和48b分别与构成分离器14的左半部和右半部的管子52相连通，然后又分别通过支导管92a和92b通向上升管92。因而，蒸汽是向下通过分离器14的全部长度后进入下集汽环区域48a和48b，再经过支导管92a和92b后向上流经上升管92及支导管92c，92d到达热回收部分16的集汽管76的。很多优越性都是来源于本发明，例如，由于相对较冷的流体流过分离器14的壁即使得分离器的温度明显地下降，因而分离器14的热损失也减少了，并且对内层耐熔材料的需要也减少到最小限度。分离器14的体积、重量和费用与常规分离器相比也少得多，起动及完成负载变化也相对快得多。此外，对反应器(燃炉部分)与旋风分离器之间、旋风分离器与热回收部分之间的昂贵的高温耐熔材料衬里的管道和膨胀连接管的需要也大大减小了。更进一步看，流体的过热以及控制流体温度范围的能力也都得到改善。

很容易理解，在本发明范围内对上述内容可以有许多变化，例如分离器14的内管62也可以用如同分离器14的管子一样由多根管子组成，而分离器14的管子可以与包括蒸汽锅筒32在内的管线相连接，同样，虽已对环形集汽管48和50作过叙述并在图中表示出来，很容易理解，任何另外适用的集汽管的配置也可以在本发明中得到应用。

Claims (5)

1.一种流态化床蒸汽发生系统，包括：

(A)一个燃炉(12)，它包括：

(1)一个装纳包含有燃料的固体细粒原料的外壳(18)；

(2)一个向上述外壳输入空气的空气源(20)，输入的空气速度能足以使上述细碎粒原料流态化并使上述燃料维持燃烧或气化以产生带有部分上述细碎颗粒原料在外壳(18)内上升的烟气；

(B)一个旋风分离器(14)，它包含：

(1)一个内圆筒(62)；

(2)一个围绕上述内圆筒(62)的外壳体从而限定一个分离室(64)，所述外壳只是这样成形的：

(a)多根相互平行设置的管子(52)；

(b)连接上述管子以形成气密结构的肋片(54)；

(C)一个热回收部分(16)，它包含：

(1)由多根相互平行设置的管子(52)组成的一个外壳(70)，和

连接上述管子以形成气密结构的肋片(54)；

在上述外壳内设置的多股束状管道(82a，82b，80a，80b，84a，84b)；

(D)使上述烟气从上述燃炉系统(12)到达所述分离腔室(64)的通道，从而借助离心力分离烟气中所带有的细碎粒原料

(E)使分离出的细碎粒原料从上述分离器反向通入上述燃炉部分的通道(66)；

(F)使分离后的烟气通往上述热回收部分(16)的通道；和

(G)流体流动的管路装置，它包括：

连接到所述管(52)端部之一的环形集汽管(48)，形成分离器(14)的外壳体，

连接到所述管(52)另一端部的环形集汽管(50)，形成分离器(14)的外壳体；

连接到环形集汽管(48，50)中的一个蒸汽锅筒(32)，使流体通过管(52)又通过外壳体的全部区域到达另一环形集汽管以便冷却分离器(14)。

2.按权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分离器(14)与其轴线基本垂直设置，蒸汽锅筒(32)与下环形集汽管(48)连接，从而使蒸汽从下环形集汽管向上，通过所述管(52)，到达上环形集汽管(50)，以便排出。

3.按权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分离器(14)与其轴线基本垂直设置，蒸汽锅筒(32)与上环形集汽管(50)连接，从而使蒸汽从上环形集汽管向下，通过所述管(52)，到达下环形集汽管(48)，以便排出。

4.按权利要求1所述的系统，其特征在于，其中所述环形集汽管(48，50)各自构成两个区域(48a，48b和50a，50b)，并分别与构成上述外部壳体的部分的管(52)相连接，环形集汽管(48)中之一的一个部分(48a)为使流体通过管子的相应部分而接受流体，另外的环形集汽管(50)的一部分(50a)从管(52)接受流体，并将流体送到另外的环形集汽管(50)的另外的部分(50b)，并通过管(52)的另外部分将流体送到环形集汽管(48)的另一部分(48b)，以便排放流体。

5.按权利要求4所述的系统，其特征在于，所述分离器(14)与其轴线基本垂直设置，蒸汽锅筒(32)与环形集汽管(48)的一部分(48a)连接，从而使蒸汽流向上通过管(52)的第一部分到达另外的环形集汽管的部分，并通过所述管的另外的部分向下到达环形集汽管(48)的另外的部分，以便排放蒸汽。

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