CN1047560A - 循环式流化床反应器 - Google Patents

Abstract

包括炉体和热回收部分的反应器。炉体的上部在一壳体内共轴向上延伸。炉体中有一流化床，空气以足够的速度进入流化床使颗粒物流化从而也支持燃烧，混合物通过一组夹缝和曲臂排放到同轴壳体的内腔壁，夹缝和曲臂位于炉体上部，内腔壁的作用是使颗粒物从混合物中分离。剩下的由空气和燃烧生成物组成的混合物上升并流到热回收部分。分离的颗粒物从同轴壳体到一组再循环管道。这组再循环管道与炉体的下部相连用来使所分离的颗粒物质再回到流化床。

Description

本发明涉及一流化床，更确切地说，是关于一个通过流化床中的燃料的燃烧产生热能的反应器。

流化床反应器、燃烧器或燃气发生器是人们所熟知的。在这些燃烧反应器中，使空气通过由颗粒物形成的一燃烧反应床，其中包括矿物燃料，比如煤和吸附由于煤的燃烧而产生的硫的吸附剂，空气的通过使形成燃烧反应床的物质流化从而使矿物燃料以一较低的温度燃烧。当流化床产生的热被用来使水变成蒸汽时，比如在蒸汽发生器中流化床系统可提供具有高温热释放、高的硫吸附、低的氧化氮生成和矿物燃料的适应性的优良燃烧特性。

最典型的流化床燃烧系统通常要数沸腾式流化床，其中颗粒物质形成的燃烧床是由空气分流板支承的，支持燃烧的空气通过一组分布于空气分流板上的孔眼再到燃烧床，使颗粒物膨胀并处于悬浮位置，也即处于流化状态。在实际过程中，反应器是以蒸汽发生器的形式存在的，反应器的壁面上形成有一组热转换管。流化床内部的燃烧所产生的热被传送到热交换介质，比如水，并循环通过转换管。通常将热转换管连接到自然水循环管路上，包括分离汽包，其作用是将水从蒸汽中分离从而使所得到的蒸汽沿一定的管路传到一透平机以产生电能或供给相应的蒸汽用户。

通过对沸腾式流化床在提高燃烧效率、控制污染的产生和操作调节方面能做的努力，人们已经发展了使用快速、或称为循环式流化床的流化床反应器。根据这种技术，可以得到范围在固体容积的20%的流化床密度，而它远低于沸腾式流化床典型的固体容积30%的密度范围。低密度循环式流化床的形成起因于较小的颗粒尺寸和较高的流化速度。为了达到物质平衡，需要一较高的固体物质再循环。循环式流化床的速度范围介于固体物自由下落速度和一函数速度（该速度是燃烧物通流量的函数）之间，若超出这一速度范围，流化床就可能转化成一气压传输管路。

循环式流化床所需要的高的固体物质循环使得它对于燃料的热释放形式不敏感，因此也就减小了燃烧室或气化燃烧室内部温度的变化，从而也使氧化氮的形成量减少。另外，高的固体物装载也改善了用于从固体物中分离气体形成固体物再循环的机械装置的效率，其结果是硫的吸附和燃料残留物增加使所需的额外吸附物成倍地减少。还有就是循环式流化床本身就具有比沸腾式流化床更好的调节和控制作用。

然而，循环式流化床需要较大的旋流分离器，这就使其小巧设计的可能性不复存在，而小巧设计却可以模块化，便于运输和安装。特别是当这种流化床被用作蒸汽发生器时，这便成为其主要的缺点。另外，在循环式流化床中所用的颗粒燃料和吸附物质必须在颗粒尺寸上是较小的，这就要求对原料物质进行粉碎和干燥，而这样做则需要昂贵的成本。还有，在循环式流化床系统中，为适当地吸附硫所需的流化床的高度也比传统的沸腾式流化床的高度为大，这进一步增加了投资费用和操作成本。

根据本发明的流化床反应器包括一炉子和一热回收部分。所说炉子的上部同轴地延伸进入一壳体内部的空间，并与之相关联。一包括有固体颗粒物的燃烧反应床被支撑在所说的炉子中，空气以足以使流化床的物质流化的速度进入流化床以支持所说燃料的燃烧或燃料的气化。空气所说的燃烧产生的气态物以及由空气和所述燃烧产生的气态物夹带的颗粒物质形成的混合物通过一组位于所说的炉子上部的弓形臂排放到同轴壳体的内腔，同轴壳体内腔的作用是使颗粒物从所说的混合物中分离出来。剩下的含有一些较细的颗粒物的燃烧气态物则向上升通过热回收部分。被分离出来的颗粒物则通过同轴壳体内腔到一组再循环管道。这组再循环管道与炉子的下部相连以使所分离的颗粒物再次回到流化床。

根据本发明的流化床反应器在尺寸上可以是比较紧凑的，可以模块化，从而比较易于建造和安装。所使用的燃料和吸附物的颗粒尺寸范围也较宽。另外，由于减小了流化床的高度，所以也可以得到合适的吸附效果。

在本发明的反应器中，在流化床锅炉中形成一气柱，该气柱中含有饱和的颗粒物。因此，收集气柱中的颗粒物，基本上可以使其以同样的数量再回到流化床以保持饱和的气柱。

在本发明的反应器中，包含在锅炉中的固体物质的体积与沸腾式流化床中的固体物体积相比是较小的。

使用本发明的反应器，流化床的温度可以通过改变进入流化床的空气的量来改变。

在本发明的一个实施例中，冷却表面与流化床和气柱接触。

本发明的反应器综合了沸腾式流化床和快速流化床的操作原理和优点。

在本发明的一实施例中，一与锅炉集成于一体的曲臂分离系统代替了传统的旋流式分离器。

以上的有关本发明反应器的简要说明以及进一步的目的、特点和优点通过参照以下的有关本发明最佳实施例的较详细的附图和说明可以更加全面地被理解。其中：

图1是描述本发明流化床反应器的原理图。

图2是沿图1的“2-2”截面剖开的截面视图。

图3和图4分别与图1和2基本相同，表示本发明的另一实施例。

本发明的流化床反应器通过参考件号10表示在图1中。其包括一蒸汽发生器部分，它有一分离汽包12，其作成是接收来自供给管14的水并由一组蒸汽管16排放所产生的蒸汽。

反应器10位于分离汽包12的下部并包括一水壁炉18和一蒸汽冷却热回收部分20。炉18有一环形截面，它的壁由一组彼此间隔、垂直平行设置的水管18a形成，水管18a由连续的肋板相互连接，肋板自水管上径向相反的部分上延伸出并形成一连接的气密结构，见图2所示。炉体上部在管壳22内部同轴延伸。热回收部分20由前壁24和与其间隔且平行的后壁26界定。可以理解，两彼此间隔的连接侧壁（图中未表示）与前后壁垂直形成一基本上是矩形的容腔。

顶板28位于炉体18的上部，是炉体水壁的延续。如图2所示，在炉体18的上方壁部分形成一组夹缝30。一组弓形壁32与炉体18相连并自炉体18向外延伸与夹缝30分别配准，由于臂32的自由端是开口的，因此允许夹带有颗粒物和气体的混合物从夹缝以相对于壳体22的内壁基本上是切线的方向排出。在一个最佳实施例中，弓形臂32和开口30是通过切开炉体18的壁面并使其向外朝向壳体22的内壁弯曲来形成的。可以理解，一支撑结构（未表示）可以位于壳体22内部以支撑炉体18的上端部于壳体22之内并使其位于所示的同轴位置。

在一最佳实施例中，四个再循环管道34对称地分布于壳体22的下部圆周上并且与壳体22和炉体18之间的下端环状空间相连。每一再循环管道34分别从壳体22的下部延伸到炉体18下壁部分。在一个最佳实施例中，每一再循环管道34的上部向内成一角度以减少颗粒物堆积在壳体22的最低端。每一再循环管道34都与炉体18的下部用一阀门36相连，最好采用“J形阀”，它可以传统的方式防止来自炉体18的回流到再循环管道34。

一顶盖38位于炉体18、壳体22和壁24与26及连接侧壁的上部，沿壁24和26向上延伸，连接侧壁也由一组彼此间壁、平行垂直设置的水管形成，这些水管互相通过肋板联接，形成一连接的气密结构。由于这种结构形式是传统的结构形式，因此它并没有被表示在附图中，这里也不作任何更详尽的说明。

顶盖38，也即壁24和壳体22的上部延伸部分形成了一烟道通气部分40，其与壳体22的上部相通，也与热回收部分20通过壁24上的开口24a相通。

一组管排42A、42B、42C、42D、42E和42F位于热回收部分20上。每一管排包括一组管子，这些管子与一管路相连用以使蒸汽或水通过管子从而从气体中吸取热量。在一最佳实施例中，管排42A和42B包括一最后过热器，管排42C和42D包括一最初过热器，管排42E和42F包括一节热器管路。由于管组和它们相应的管路布置属传统的技术，因此在这里不作详尽的描述。

一漏斗形接收器44位于热回收部分20的下部用来收集颗粒物质。一烟道出口46使烟道导向下游到其它的设备（该实施例中未表示）。

尽管没有在附图中表示，但也可以看出，也提供了水流管路，包括供给管14在内以形成水和蒸汽通过分离汽包12，炉体18的壁面、热回收部分20，壳体22以及通风部分40和管组42A-42F的流道。由于这也是传统的技术，因此这里也不作详尽的描述。

一通风腔48位于炉体18的下部，使来自一适当气源50的压缩空气借助于传统的装置，如压力通风鼓风机等进入炉体18。

一多孔的空气分流板52被适宜地支承与炉体18的下部和通风腔48的上部之间。通过通风腔48进入的空气向上通过空气分流板52并且也可以通过空气预加热器（图中未表示）进行预加热，同时也可以通过空气节流阀按需要进行调节和控制。空气分流板52用于支撑流化床，流化床一般由碎煤和碎石灰石或者白云石组成，碎石灰石或白云石是用来吸附煤燃烧过程中产生的硫。

在每一再循环管道34中装有一管子54，它位于阀门装置36的顶部一定高度处用来使颗粒吸附物或颗粒燃烧物进入炉体18，由此也可以知道，其它的管子也可与炉体18以及再循环管道34相连，其作用是给炉体18按需要配给颗粒吸附物或颗粒燃烧物。另外，也有两空气入口管56用来使流化用的空气分别进入再循环管道34，其原因以下将说明。

来自入口管58的过热空气于栅板52上部的任何高度处进入炉体18。排放管60用来将炉体18中的废料和吸附物排放到外部设备。

炉体18的外壳，也即壳体22、再循环管道34、烟道部分40和热回收部分20均由合适的绝热物质按传统的方式予以保护。

在操作过程中，颗粒物形成的流化床（其中包括煤）位于板52上，并在空气进入通风腔48时使其点火燃烧。附加的燃料和/或吸附物通过管子54按需要进入再循环管道34和/或炉体18的内部，煤通过燃烧器（未表示）点火燃烧，燃烧器位于流化床内部。随着煤的燃烧，额外的空气进入通风腔48，在进气量上足以维持完全燃烧。另外，来自入口管58的过热燃烧空气也可以被通入通风腔48。

高压、高速的支持燃烧的空气，从通风腔48而来，再通过空气分流板52，其速度大于流化床中较细的颗粒物自由下落的速度，同时又小于较粗的颗粒物自由下落的速度。因此，一部分细颗粒物便被部分空气和燃烧生成的气体夹带同时在气压作用下被输送。这种夹带层颗粒物和燃烧气体的混合物在炉体18内向上升起形成一气柱，该气柱包含有夹带的颗粒物，它通过炉体18从夹缝30向外排出。弓形臂32的作用是使混合物基本上以切线方向流向壳体22的内壁。这样便产生相应的离心力以促使颗粒物入气体中分离出来。颗粒物的绝大部分随后碰撞壳体22的内壁，因此使其速度减小，从而进一步使它们从气体中分离出来。被分离的颗粒物靠重力向下滑入再循环管道34，进入阀门36。被分离的气体向上进入烟道部分40，然后通过开口24a进入热回收部分20。

被分离的颗粒物堆积在阀门36中，直到高度达到颗粒物通过阀门36的溢流点时便流入炉体18，如图1中箭头所示。这样就使得再循环的颗粒物以恒定不变的流量流回炉体18，同时也使来自炉体18的高压气体由于密封而不致回流直接进入再循环管道34。

额外的颗粒物是通过管子54来添加的，其添加量是以使炉体18上部的气体含有饱和的颗粒物，即，得到气体最大的夹带量（指夹带颗粒物的量），由于饱和的结果，较粗的颗粒，连同一部分较细的颗粒被保持在炉体18的下部，因此炉体这部分就含有较高体积百分比的颗粒物，比如在最大功率上操作时可达到总体积的20%。

细颗粒物的剩余部分向上通过气柱并从气体中分离后再循环到炉体18，这在上面已作了描述。这些物质再加上通过管子54进入的额外颗粒燃料物质便保持了炉体18中气柱的饱和。

水通过水供给管14进入分离汽包12并且向下流过下泄水管或诸如此类的管道后再进入形成炉体18壁面的管子，如上所述。来自流化床、气柱和被输送的固体颗粒物的热将一部分水转化为蒸汽，水和蒸汽的混合和在管中上升，并被传送到分离汽包12。蒸汽和水在分离汽包12中按传统的方式进行分离，分离出来的蒸汽由分离汽包通过蒸汽管子16首先通到形成顶盖39壁面24和26的管子，然后通到最初过热器管排42C和42D，最后过热器管排42A和42B，再到蒸汽透平机等。在分离汽包中被分离出来的水与来自节热器管排42E和42F的供给水混合，再通过管子14输送到分离汽包，随后按已叙述过的方式再循环通过流通管路。其它的冷却表面，最好在形式是带有垂直管的部分壁面，在炉体18中也可以使用。

从壳体22和炉体18之间的空腔出来的过热清洁气体进入热回收部分20，再通过管排42A、42B、42C、42D、42E和42F使来自这些气体中的多余的热量被吸取，从而将热量添加到流过这些管排的蒸汽或者水中。这些气体随后被引向出口46，从热回收部分20中出来，也可以引到一个空气加热器或诸如此类的装置（图中未表示出来）中。

为了对蒸汽透平机负载的变化作出响应，炉体18中流化床的温度被保持在预定的一合适值上，这是通过改变通过通风腔48供给炉体18的空气量来实现的。

正因为如此，可以看到，本发明的反应器提供了几个优点，比如：提供了夹缝30，弓形臂32，壳体22和再循环管道34，这些都使得夹带的颗粒物可以分离，同时也可以再循环到炉体18中，而且不需要相对笨重又昂贵的旋流式分离器，因此也就少了相应的连接管道。这样，本发明的反应器相对来说比较紧凑，同时也可以做成易于运输和快速安装的模块化结构，这一点当该反应器用作蒸汽发生器时其优点便特别突出。另外，这种布局的尺寸外推更容易完成。固体物质和气体物质之间的绝大部分反应，特别包括燃烧，都发生在过热空气进口以下，因此也减少了一氧化碳和碳氢化合物的生成。另外，与上述优点有关的是，带有过热空气的空气分级减少了氧化氮的生成。此外，耐火物质的使用，最好是高导热性的物质，在过热空气下也是有可能的，在此处各种表面朝向减少的气体同时也位于易腐蚀的位置。此外不需要主动地控制通过固体物质再循环系统的固体物再循环速度，因为饱和的气柱连续地被保持保证了固体物质的再循环。另外，通过将较小量的颗粒物从流化床分支管中抽出，系统中较粗和较细的颗粒物的驻留时间也可以调节以适应它们的反应特性。

在图3和4所示的实施例中，如图中标号34a所指，每个管道34的下部扩大，每个扩大部容纳一蛇形管状热交换器38，从其中通过的水和蒸汽从管道中吸取热量。除此之外，其它结构与图1和2所示的相同，该热交换器38可在特别是再循环中有一再加热器（图未示）的情况下提供额外的过加热。在这种情况下，每个阀36中有通过进口管56送入的流化空气，以维持颗粒返回炉体所需的速度和颗粒的数量，从而使热交换器浸没入稠密颗粒形成的料层中。热交换器38可与前述的水/蒸汽流通管道相连以提供从管道34中的稠密的颗粒料层中获得的过加热。

尽管在附图中没有特别表示，然而应当理解的是其它的附加的和必要的设备及结构零件也将被使用，上述的所有零件和附加的零件都以适当的方式被排列和支撑在相应的位置上以形成一完整的可操作系统。

还应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，本发明也可以做随意的改进和变化。比如，供给炉体18的燃料可以以液态或气态的形式而不一定按上述的固体颗粒形式。

Claims (13)

1、一反应器包括形成一炉体和一热回收部分的装置；在所说的炉体中用以支撑固体颗粒物质形成的一流化床的装置，其中颗粒物质包括燃料；导入空气的装置，该装置使空气以足够的速度(也即使颗粒物流化的速度)进入所说的流化床以支持所说燃料的燃烧或所述燃料的气化，形成由所说的空气、燃烧生成的气态物质以及由空气和燃烧生成的气态物质夹带的颗粒物质所形成的混合物，在所说的炉体上至少形成一个贯通的夹缝使所说的混和物从炉体排出；相对于所说的炉体以同轴方式分开并环绕所说的炉体的导流装置；使所说的混合物沿切线方向冲向所说的导流装置以使所说的颗粒物从混合物中分离的装置；使所说的混和物流向所说的热回收部分的装置；一组与所说的导流装置相连以接收所说的颗粒物质的再循环管道；还包括将所说的再循环管道组与所说的炉体相连以使所分离的颗粒物质再回到所说的流化床的装置。

2、根据权利要求1的反应器，其中所说的多个再循环管道沿所说的导流装置的圆周方向对称地分布。

3、根据权利要求2的反应器，其中所说的反应器包括四个再循环管道。

4、根据权利要求1的反应器，其中所说的导流装置的较低的部分是锥形的，此形成所说的多个再循环管道。

5、根据权利要求1的反应器，其中所说的导流装置与所说的炉体是同轴的。

6、根据权利要求5的反应器，其中所说的导流装置由一壳体形成，该壳体环绕所说炉体的上部延伸。

7、根据权利要求1的反应器，其中所说的混合物在所说的导流装置的上部排放。

8、根据权利要求1的反应器，其中所说的被分离的颗粒物质靠重力下落通过所说的多个再循环管道。

9、根据权利要求1的反应器，还包括用以将额外的颗粒物质添加到所说的流化床的装置，所增加的颗粒物质在数量上足以使所说的流化床和所说的混合物中夹带相当的颗粒物质使得所说的混合物中含有饱和的颗粒物质。

10、根据权利要求9的反应器，其中所说的添加装置添加额外的颗粒物质到所说的流化床，添加物在数量上是使所说的流化床中保持较粗的颗粒物和较细的颗粒物，并使所说的气柱中含有较细的颗粒物。

11、根据权利要求1的反应器，其中所说的连接装置包括一阀门，该阀门用来接收所说的被分离的颗粒物质，从而所说的被分离的颗粒物质聚集在所说的阀门中，同时溢流进入所说的炉体部分，以此形成密封防止空气和气体从所说的炉体部分向所述的多个再循环管道中回流。

12、如权利要求1或11所述的反应器，还包括使流体在与炉体相关的热交换器中和所述的热回收部分中循环的流通管道装置，以便向流体中添加热量。

13、如权利要求12所述的反应器，还包括设置在所述再循环管道中并与所述流通管道装置相连的热交换装置，以便向所述流体中添加热量。