CN106488800B - 格栅喷嘴组件、具有格栅喷嘴组件的流化床反应器以及使用格栅喷嘴组件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于流化床反应器的格栅喷嘴组件，一种具有格栅喷嘴组件的流化床反应器，一种在流化床反应器中安装作为替换件的格栅喷嘴组件的方法，以及一种替换流化床反应器中的格栅喷嘴组件的方法。所述反应器包括：水平延伸的底板、在所述底板下方的气体增压室、以及竖直气体管道，所述竖直气体管道具有顶端并且从所述气体增压室向上延伸穿过所述底板。所述喷嘴组件包括：喷嘴头，所述喷嘴头具有气体通道用于将流化气体从所述竖直气体管道中的一个喷射至所述反应室；以及管套筒，所述管套筒适于通过焊接围绕所述竖直气体管道的所述顶端牢固地固定。所述喷嘴头和所述管套筒形成能够快速连接和断开连接的扭锁。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于流化床反应器的格栅喷嘴组件、一种具有格栅喷嘴组件的流化床反应器、一种在流化床反应器中安装作为替换件的格栅喷嘴组件的方法、以及一种替换流化床反应器中的格栅喷嘴组件的方法。
背景技术
在流化床反应器（诸如循环流化床锅炉或气化炉、或者鼓泡流化床锅炉或气化炉）中，化学反应在颗粒（诸如沙或灰或燃料颗粒）流化床中的反应室中执行。该流化床是通过如下方式来被流化：将流化气体（诸如燃烧空气）从气体增压室（通常被称为风室）通过反应室的底部格栅带到反应室。该底部格栅包括格栅喷嘴，气体通过该格栅喷嘴以预定的相对较高的速度和预定的方向被喷射至反应室。格栅喷嘴也可以用于从反应室的底部移除固体颗粒。
由于高温、反应室中形成的化合物的化学腐蚀、或者由流化气体夹带的床面颗粒引起的侵蚀，反应室中的条件通常相当恶劣。由于该恶劣条件，所以通常需要定期地用新格栅喷嘴来替换格栅喷嘴。该替换需要在流化床反应器的相对较短的停运时间期间完成。由于流化床反应器的底部格栅中可能具有数千个格栅喷嘴，所以非常重要的是能够容易地替换格栅喷嘴。
常用的流化床反应器的格栅喷嘴是由钢制成的，并且包括被焊接至反应室的底板的竖直管或者气体管道以及头部（所称的喷嘴头），流化气体通过该头部被水平地或者稍微向下地引导至流化床反应器，要么均匀地分布至所有方向或者指向一定方向。底板和竖直管的下部通常由保护性耐火层覆盖。在流化床反应器的操作期间，竖直管的一部分也可以被嵌入在停滞的或者缓慢移动的床面颗粒中，而头部则直接暴露至恶劣环境。因此，喷嘴头尤其易于恶化。同样，对于流化床反应器而言典型的是：一些灰可能进入被供应至流化床反应器的流化气体。由于这种灰，所以格栅喷嘴内部存在出现高速灰侵蚀的风险，从而增加了对频繁维护的需要。因此，需要一种喷嘴头能够被容易地替换的格栅喷嘴。
在常规格栅喷嘴中，诸如，在加拿大专利第1151474号中示出的那些格栅喷嘴，竖直管和喷嘴头是一体件，或者竖直管和喷嘴头可以被焊接在一起以便形成单一的集成件。因此，当需要替换喷嘴头时，通常的做法是切断竖直管，并且围绕竖直管的剩余部分的上端焊接上具有新喷嘴头的替换零件。这是一个相对慢的过程，并倾向于每次都使剩余管缩短。这还引起相当大量的有害金属碎屑，而这些金属碎屑需要从底部格栅上移除。
美国专利第3,708,887号示出了格栅喷嘴，在该格栅喷嘴中，竖直管包括外螺纹，并且喷嘴头的管状件包括对应的内螺纹，以便将喷嘴头连接至竖直管。由于该螺纹的打开得相对缓慢，并且其在反应器的操作期间可能容易卡住，这种螺纹喷嘴头联接不适合于许多大型流化床反应器。
国际专利公开第WO 2010/011457 A2号示出了格栅喷嘴，在该格栅喷嘴中，围绕竖直管的上端焊接了具有内螺纹的套筒，并且管状喷嘴头的下部包括对应的外螺纹，以便将喷嘴头连接至套筒。管状喷嘴头至套筒的连接通过在喷嘴头的外边沿与套筒的上边缘之间的定位焊紧固。该喷嘴格栅构造也打开得相对慢，并且可能在操作期间恶化或者卡住。
本发明的目的是提供一种新格栅喷嘴组件，该新格栅喷嘴组件至少部分地使上述现有技术的问题最小化。
发明内容
根据一个方面，本发明提供一种适合于安装在流化床反应器的反应室中的格栅喷嘴组件，该流化床反应器包括：水平延伸的底板、在底板下方的气体增压室、以及竖直气体管道，该竖直气体管道具有顶端并且从气体增压室向上延伸穿过底板，其中，该格栅喷嘴组件包括：喷嘴头，该喷嘴头具有气体通道用于将流化气体从竖直气体管道中的一个喷射至反应室；以及管套筒，该管套筒适于通过焊接围绕气体管道的顶端牢固地固定，其中，该喷嘴头和该管套筒形成扭锁，该扭锁使喷嘴头和管套筒能够快速连接和断开连接。
喷嘴头有利地包括水平延伸的顶部和向下延伸的杆，该向下延伸的杆适于完全地配合到管套筒中，即导管配合到管套筒中由此使得水平延伸的顶部与管套筒的上表面直接接触，以将流化气体从气体管道输送至喷嘴头的气体通道并且以与管套筒形成扭锁。
根据本发明的优选实施例，管套筒的内表面包括至少一个凹槽，该凹槽包括竖直凹槽部和水平延伸的凹槽部，该竖直凹槽部从管套筒的上端延伸至管套筒的中心部，该水平延伸的凹槽部与竖直凹槽部的下端连接并且从竖直部的下端延伸预定角度。该预定角度优选地为约10度至约160度，更加优选地为约20度至约90度，最优选地为约30度。
杆的外表面相应地包括至少一个钮（nob），该至少一个钮配合在至少一个凹槽中以便能够通过如下方式将喷嘴头与管套筒扭锁：即，将钮插入到竖直凹槽部中，在管套筒中向下滑动杆直到钮到达竖直凹槽部的下端，并且扭转喷嘴头以便使钮在水平凹槽部中移动。通常，管套筒的内表面包括彼此相对布置的如上文所描述的两个凹槽，并且杆的外表面相应地包括配合在该凹槽中的两个钮，但凹槽和钮的数量可以是一个或者甚至多于两个。
如上文所提到的，杆有利地适于完全地配合到管套筒中，即，当喷嘴头被置于其安装位置中与管套筒连接时，喷嘴头的顶部（或者更加精确地，该顶部的水平延伸的下表面）与管套筒的上表面接触。因此，该布置使得能够有效地紧固扭锁，即，通过形成在顶部的下表面与管套筒的外表面之间的定位焊或者多个定位焊防止喷嘴头的意外扭转。通过将定位焊或者多个定位焊布置在顶部的下表面下方，该顶部有效地保护定位焊免于流化床颗粒移动的影响，并且因此最小化由床面颗粒引起的侵蚀。
每个水平延伸的凹槽部有利地从竖直凹槽部稍微向下倾斜，以便能够有效地使格栅喷嘴的顶部的下表面朝向管套筒的上表面紧密。通过使顶部朝向管套筒紧密，定位焊变得更加容易。更为重要地，顶部与管套筒之间的紧密接触有效地防止了在管套筒与喷嘴头之间的细床面颗粒的迁移和粘附，而不需要围绕在喷嘴头与管套筒之间的整个接缝进行焊接。因此，本安装系统使得能够以快速且有效的方式来使如下风险最小化：即，管套筒的内表面的损坏和/或喷嘴头至管套筒的不可替换的粘附。
为了避免格栅喷嘴内的气流中的湍流、以及气流夹带的颗粒引起的内部侵蚀，气流路径的直径优选地在竖直气体管道和气体通道的竖直部上是不变的。因此，杆的孔的直径优选地与竖直气体管道的直径相对应。相应地，为了避免在喷嘴头与竖直气体管道的接头处的气流路径中的任何间断，杆的长度有利地适于当喷嘴头的顶部的下表面与管套筒的上表面紧密时，使杆大体上与竖直气体管道紧密。
当根据本发明的格栅喷嘴安装在流化床反应器中时，管套筒优选地通过焊接被牢固地固定至竖直气体管道。根据优选实施例，每个管套筒均包括至少一个开口，优选地为两个相对地布置的开口，以允许通过塞焊将管套筒固定至气体管道。另一种可能性是确定管套筒的下边缘轮廓以便形成用于角焊的区域。当从管套筒至底板（或者至底板上的耐火层）具有充足空间时，也能够通过使用全周焊将管套筒固定至竖直气体管道。
根据一个方面，本发明提供了一种流化床反应器，该流化床反应器包括：水平延伸的底板；在底板下方的气体增压室；多个竖直气体管道，该竖直气体管道具有从气体增压室向上延伸穿过底板的顶端；以及根据上面描述的任何实施例的多个格栅喷嘴组件，其中，格栅喷嘴组件的管套筒通过焊接（例如，通过塞焊、角焊、或者全周焊）围绕竖直气体管道的顶端牢固地固定。
根据另一方面，本发明提供了一种在流化床反应器中安装作为替换件的格栅喷嘴组件的方法，该流化床反应器包括水平延伸的底板、在底板下方的气体增压室、以及多个竖直气体管道，该竖直气体管道具有顶端并且从气体增压室向上延伸穿过底板，其中，该方法包括将根据任何上面描述的实施例的格栅喷嘴安装在流化床反应器中的步骤，该安装是通过焊接（例如，通过塞焊、角焊、或者全周焊）将管套筒围绕气体管道中的一个的顶端牢固地固定。
可能的是，首先将管套筒牢固地固定至气体管道的顶部，并且只有在这之后才执行喷嘴头至管套筒的可轻易地移除的定位焊。根据另一种可能性，首先将喷嘴头定位焊接至管套筒，并且只有在这之后才将管套筒牢固地固定至气体管道的顶部。后一种可能性的优点在于：在反应室中，能够在期望的条件下执行定位焊，并且仅仅在更高要求的条件下执行牢固固定。因此，根据一个方面，本发明还提供了一种格栅喷嘴组件，该格栅喷嘴组件包括喷嘴头和管套筒，根据上面描述的任何实施例，该喷嘴头可移除地定位焊至管套筒，由此允许使喷嘴头与管套筒快速断开连接。
根据又另一方面，本发明提供了一种通过断开连接或者连接喷嘴头与管套筒之间的扭锁替换格栅喷嘴组件的喷嘴头的方法，该格栅喷嘴组件是根据本发明的任何上述实施例的并且包括定位焊接在管套筒中的喷嘴头。因此，该方法包括：从喷嘴头与管套筒之间移除定位焊或者多个定位焊，扭转喷嘴头并使管套筒保持就位，并且向上滑动喷嘴头以便从管套筒上移除喷嘴头，在管套筒中向下滑动新喷嘴头，扭转在管套筒中的新喷嘴头，并且通过形成新定位焊将新喷嘴头紧固至管套筒。
由于待被替换的用过的格栅喷嘴的扭锁可能相当紧，管套筒的外表面有利地包括平坦表面，诸如两个彼此相对布置的平坦表面，以能够在扭转喷嘴头时牢固地保持管套筒。因此，能够向喷嘴头施加相对高的扭矩而没有损坏气体管道的风险。
当结合附图并参照根据本发明的当前优选（但却是说明性的）实施例的如下详细描述时，将更加全面地理解上面的简要描述、以及本发明的其它目的、特征和优点。
附图说明
图1示出了具有格栅喷嘴的流化床反应器的示意图。
图2示出了根据本发明的实施例的格栅喷嘴的示意侧视图。
图3示出了根据本发明的实施例的格栅喷嘴组件的喷嘴头的示意截面图。
图4a和图4b示出了根据本发明的实施例的格栅喷嘴组件的管套筒的示意截面图。
具体实施方式
图1的示意图示出了具有反应室12的流化床反应器10。该反应室包括水平延伸的底板14和在该底板下方的气体增压器室16（所称的风室）。在流化床反应器10中，该流化床反应器10可以是，例如，循环流化床锅炉或气化炉、或者鼓泡流化床锅炉或气化炉，化学反应在颗粒（诸如沙或灰或燃料颗粒）流化床中的反应室12中执行。该流化床是通过如下方式来被流化：将流化气体（诸如燃烧空气）从风室16通过反应室的底部格栅带到反应室12。底部格栅包括多个格栅喷嘴18，流化气体通过该多个格栅喷嘴18以预定的相对较高的速度和预定的方向被喷射至反应室。实际上，流化床反应器还包括许多其它零件，诸如，燃料进给喷嘴、废气通道等。然而，由于这些零件与本发明无关，所以从图1中省略了这些零件。
格栅喷嘴18由竖直气体管道20和喷嘴头22形成，该竖直气体管道20从风室16向上延伸穿过底板14，该喷嘴头22包括用于将流化气体从气体管道20喷射至反应室的气体通道。通过使用管套筒24，喷嘴头被附接至气体管道。根据本发明，通过焊接管套筒围绕气体管道的顶端牢固地固定，而喷嘴头通过扭锁连接至管套筒，使得能够使喷嘴头和管套筒快速连接和断开连接，如将结合图2至图4的示意图更加详细地描述的。相同的或者对应的元件在不同附图中用相同附图标记来表示。
图2示意性地示出了根据本发明的实施例的格栅喷嘴18的侧视图，该格栅喷嘴18连接至流化床反应器的底板14。图2示出了常规气体管道20，该常规气体管道20通过任何常规方式（通常是通过焊接，未在图2中示出）附接至底板14。管套筒24通过塞焊28牢固地固定在气体管道20的上端26中。通常，在管套筒的相对侧上具有两个塞焊。替代地，能够通过其它类型的焊接（诸如角焊或者全周焊）将管套筒固定至竖直气体管道。喷嘴头22通过扭锁30（将在下文解释）连接至管套筒24，该扭锁30通过定位焊32紧固。定位焊有利地布置在格栅喷嘴的顶部的水平延伸的下表面33之下，以保护定位焊免于移动的床面颗粒造成的侵蚀。
图3描绘了根据本发明的实施例的喷嘴头22的截面图。该喷嘴头包括水平延伸的顶部34和向下延伸的杆36。气体通道38从杆的下端延伸至出口支管40，该出口支管40延伸至顶部34的侧向端。图3中示出的出口支管向下倾斜以便朝向底板喷射流化气体，但出口支管可以替代地以不同方式指向，例如，水平地指向。顶部34包括两个出口支管40，但喷嘴头可以替代地仅包括一个出口支管，以向一定方向喷射流化气体，例如，以移动底板上的固体颗粒至一定方向。同样可能的是喷嘴头包括多于两个的出口支管以将流化气体均匀地分布至反应室。
杆36适于配合到管套筒24中以连接至竖直气体管道20，该竖直气体管道20连接至流化床反应器10的底板14。因此，杆主要是具有与气体管道的孔径相对应的孔径的中空圆柱体。为了与管套筒形成扭锁，杆包括在杆的外表面的相对侧上的两个钮42。替代地，可以仅仅具有一个钮，或者可以具有多于两个的钮。钮42的目的和功能以及其与管套筒的内表面中的对应凹槽的关系将在下文结合图4a和图4b进行解释。
图4a示意性地示出了管套筒24的水平截面图，并且图4b相应地示出了如在图4a中示出的管套筒24的竖直截面B。在管套筒的内表面44上形成有两个相同的凹槽46，该凹槽46包括竖直凹槽部48和水平延伸的凹槽部50。该凹槽的深度与图3中示出的钮42的高度相对应，由此其形成将喷嘴头22与管套筒24连接起来的扭锁。
该扭锁是通过如下方式来关闭：将杆的钮42插入到竖直凹槽部48中，在管套筒中向下滑动杆直到钮到达竖直凹槽部48的下端52，并且扭转喷嘴头以便使钮42在水平延伸的凹槽部50中移动。优选地，水平凹槽部50从竖直凹槽部48的下端52水平地延伸预定角度（诸如约30度）。扭锁可以通过图2中示出的定位焊32紧固。扭锁是通过如下方式来打开：移除定位焊（例如通过磨削）以及以相反顺序执行关闭步骤。
在图4a和图4b中，管套筒22的内表面44包括彼此相对布置的两个凹槽46，并且杆36的外表面相应地包括配合在该凹槽中的两个钮42，但凹槽和钮的数量可以可替代地是一个、或者甚至多于两个。
水平延伸的凹槽部50在图2和图4b中示出为水平的，但在实践中，凹槽部50有利地稍微从竖直凹槽部48向下倾斜，以便能够有效地使格栅喷嘴的顶部33的下表面朝向管套筒24的上表面紧密。
图4a示出了管套筒24中的一个开口54，该开口54用于与流化床反应器的底板中的竖直气体管道形成塞焊。然而，开口的数量可以替代地多于一个，例如两个。图4a和图4b示出了具有圆柱体形外表面的管套筒24，但该外表面的部分（例如管套筒的两个相对侧的部分）可以有利地制成平坦的，以便在喷嘴头18被扭转以从管套筒上将其移除时，使得更容易将管套筒24保持就位。
尽管本文已经通过示例的方式结合当前被认为是最优选的实施例对本发明进行了描述，但应理解，本发明不限于所公开的实施例，而是意在覆盖其特征的多种组合或者修改，并包含在所附权利要求书中定义的本发明的范围内的多种其它应用。
Claims (14)
1.一种适合于安装在流化床反应器（10）的反应室（12）中的格栅喷嘴组件（18），所述流化床反应器（10）包括：水平延伸的底板（14）、在所述底板下方的气体增压室（16）、以及竖直气体管道（20），所述竖直气体管道（20）具有孔径、顶端（26）并且从所述气体增压室向上延伸穿过所述底板，其特征在于：所述格栅喷嘴组件包括：喷嘴头（22）和管套筒（24），所述喷嘴头（22）具有气体通道（38）用于将流化气体从所述竖直气体管道（20）中的一个喷射至所述反应室（12），所述管套筒（24）适于通过焊接围绕所述竖直气体管道的所述顶端牢固地固定，其中，所述喷嘴头和所述管套筒形成扭锁（30），该扭锁（30）能够使所述喷嘴头（22）与所述管套筒（24）快速连接和断开连接，其中所述管套筒（24）包括上表面，并且所述喷嘴头（22）包括水平延伸的顶部（34）和向下延伸的杆（36），所述水平延伸的顶部（34）具有水平延伸的下表面（33），所述向下延伸的杆（36）具有的孔径等于所述竖直气体管道的孔径，所述杆适于配合到所述管套筒（24）中，由此当所述水平延伸的顶部的所述水平延伸的下表面（33）朝向所述管套筒的上表面紧密时，使得所述杆的长度适于与所述竖直气体管道紧密，以当所述流化气体从所述竖直气体管道输送至所述气体通道时避免湍流，并且所述管套筒（24）包括上端、中心部、以及具有至少一个凹槽（46）的内表面（44），所述至少一个凹槽包括竖直凹槽部（48）和水平延伸的凹槽部（50），所述竖直凹槽部（48）从所述管套筒的所述上端延伸至所述管套筒的所述中心部，所述水平延伸的凹槽部（50）与所述竖直凹槽部（48）的下端（52）连接并且从所述竖直部延伸预定角度，并且所述杆（36）包括具有至少一个钮（42）的外表面，所述至少一个钮（42）配合在所述至少一个凹槽（46）中以便能够通过如下方式使所述喷嘴头（22）与所述管套筒（24）扭锁，所述方式即将所述钮（42）插入到所述竖直凹槽部（48）中，在所述管套筒中向下滑动所述杆（36）直到所述钮到达所述竖直凹槽部（48）的所述下端（52），并且扭转所述喷嘴头（22）以便使所述钮在所述水平凹槽部（50）中移动。
2.根据权利要求1所述的格栅喷嘴组件，其特征在于：所述管套筒（24）的所述内表面（44）包括两个或者更多个凹槽（46），每个所述凹槽均包括竖直凹槽部（46）和水平延伸的凹槽部（50），所述竖直凹槽部（48）从所述管套筒（24）的所述上端延伸至所述管套筒的所述中心部，所述水平延伸的凹槽部（50）从所述竖直部（48）的下端（52）延伸所述预定角度，并且所述杆（36）的所述外表面包括两个或者更多个钮（42），所述两个或者更多个钮（42）配合在所述两个或者更多个凹槽（46）中以便能够使所述喷嘴头（22）与所述管套筒（24）扭锁。
3.根据权利要求2所述的格栅喷嘴组件，其特征在于：所述预定角度为10度至160度。
4.根据权利要求3所述的格栅喷嘴组件，其特征在于：所述预定角度为20度至90度。
5.根据权利要求4所述的格栅喷嘴组件，其特征在于：所述预定角度为30度。
6.根据权利要求1所述的格栅喷嘴组件，其特征在于：所述管套筒（24）包括外表面，并且所述喷嘴头（22）的所述顶部（34）包括水平延伸的下表面（33），使得能够通过在所述顶部（34）的所述下表面（33）与所述管套筒的所述外表面之间的至少一个定位焊（32）紧固所述扭锁，从而所述顶部（34）通过最小化由移动的流化床颗粒引起的所述至少一个定位焊的侵蚀而保护所述至少一个定位焊（32）。
7.根据权利要求6所述的格栅喷嘴组件，其特征在于：所述水平延伸的凹槽部（50）从所述竖直凹槽部（48）向下倾斜，以便能够通过扭转所述喷嘴头使所述顶部的所述下表面朝向所述管套筒的所述上表面紧密。
8.根据权利要求7所述的格栅喷嘴组件，其特征在于：所述杆（36）的长度适于，当所述管套筒的上表面与所述顶部（34）的所述下表面（33）紧密时，使得所述杆与所述竖直气体管道（20）紧密。
9.根据权利要求1所述的格栅喷嘴组件，其特征在于：所述管套筒（24）包括至少一个开口（54）或者定轮廓的下边缘以允许分别通过塞焊（28）或者角焊将所述管套筒围绕所述竖直气体管道（20）的所述顶端牢固地固定。
10.根据权利要求1所述的格栅喷嘴组件，其特征在于：所述管套筒（24）包括外表面，并且所述管套筒的所述外表面包括平坦表面部，以在扭转所述喷嘴头（22）时能够牢固地保持所述管套筒，从而防止损坏所述竖直气体管道（20）。
11.根据权利要求1所述的格栅喷嘴组件，其特征在于：所述喷嘴头（22）通过至少一个定位焊（32）被能够移除地连接至所述管套筒（24），以允许所述喷嘴头与所述管套筒快速断开连接。
12.一种流化床反应器，包括：水平延伸的底板（14）；在所述底板（14）下方的气体增压室（16）；多个竖直气体管道（20），所述竖直气体管道（20）具有从所述气体增压室向上延伸穿过所述底板的顶端；以及根据权利要求11所述的多个格栅喷嘴组件（18），其特征在于：所述格栅喷嘴组件的所述管套筒（24）通过焊接围绕所述竖直气体管道（20）的所述顶端牢固地固定。
13.一种在流化床反应器（10）中安装作为替换件的格栅喷嘴组件（18）的方法，所述流化床反应器（10）包括水平延伸的底板（14）、在所述底板下方的气体增压室（16）、以及多个竖直气体管道（20），所述竖直气体管道（20）具有顶端并且从所述气体增压室向上延伸穿过所述底板，其特征在于：所述方法包括在流化床反应器中安装根据权利要求1所述的格栅喷嘴（18）的步骤，所述安装是通过将所述管套筒（24）通过焊接围绕所述竖直气体管道（20）中的一个的所述顶端牢固地固定。
14.一种用于替换根据权利要求11所述的安装在流化床反应器（10）的反应室（12）中的格栅喷嘴组件（18）的喷嘴头（22）的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：移除所述至少一个定位焊（32），扭转所述管套筒（24）中的所述喷嘴头（22）并且在所述管套筒中向上滑动所述喷嘴头以便从所述管套筒移除所述喷嘴头，在所述管套筒（24）中向下滑动新喷嘴头（22），扭转所述管套筒中的所述新喷嘴头并且通过至少一个定位焊（32）将所述新喷嘴头紧固至所述管套筒。
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