CN1105597C - 用于在流化床反应器中循环固体材料的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在一流化床反应器(10)中，颗粒在内部循环，沿形成反应室(12，112，312)的壁向下移动。具有水平投影区域A的颗粒聚集顶壁的颗粒室(22，122，222，322)位于颗粒流动方向的下游。具有约30mm或更小的控制尺寸的开口(32，132，232，332)(孔或槽)设置在顶壁上，开口具有的总开口区域B比区域A的一半还小。热交换表面(40，140)位于颗粒室中。

Description

用于在流化床反应器中循环固体材料 的方法和装置
本发明涉及流化床反应器中循环固体材料的方法和装置，包括反应室，它具有限定反应室内部的侧壁和位于反应室底部的炉栅；紧靠反应室上端的排气口；和位于反应室中的固体颗粒的流化床，其中该流化床具有固体颗粒的内部循环。
在流化床反应器中，传统的沸腾床反应器和循环床反应器都在反应室中有固体床材料的内部循环。床材料处在一种连续的上下动作中。固体颗粒越细，它们越容易在反应室中向上流动。因此，在反应室中产生了固体的分离。较密的固体颗粒部分(包括较大的物体)形成在反应室的较低部分，而较不密的固体颗粒部分(包括较细小的颗粒)形成在反应室中较高的部分。
在一些过程中，在主反应室中进一步处理形成床材料颗粒的一部分前，最好将这部分颗粒聚集在一起以便在不同的位置分别进行例如冷却或分类处理。已知的方法是将固体颗粒从反应室中排出且在如冷却处理后将固体颗粒再循环回到反应室中。
但是，通常需要在反应室中处理颗粒，而无需排出颗粒以及经由颗粒分离器和外部处理室使颗粒在外部循环。特别地，如果需要处理大量的颗粒，最好在反应室本身中处理颗粒而不要有外部循环。
比如，大量的固体颗粒在流化床反应室下部的内部循环是相当有益的。在许多处理中，主要处理确定尺寸的颗粒也是相当有益的。但是，由于在反应室下部分分离的例如适于热回收的尺寸的颗粒通常和大颗粒或大物体混合，会妨碍较佳的热回收。大的物体例如会阻碍热交换表面且引起机械性损坏。
最好在一限定的空间内(例如用作内部热交换器的颗粒室)聚集具有确定尺寸的足够的颗粒以有效地完成如热回收等目的。引导颗粒进入内部热交换器的入口开口太小以致于无法让充足的颗粒流入室内，或是颗粒室的入口也可安置在内部循环不良的位置。因此，这就需要集中流入颗粒室中的颗粒流。
因此，本发明的一个目的是提供一种从流化床反应器中的固体颗粒的内部循环中聚集固体颗粒的改进的方法和装置，以便在流化床反应器中分别处理固体颗粒。
本发明的另一目的是提供一种在流化床反应室内的固体颗粒的内部循环中，从固体颗粒回收热的改良方法和装置。
按照本发明，一种在流化床反应器中使固体材料循环的方法，具有固体颗粒的内部循环，该方法包含下列步骤：
(a)从固体颗粒内部循环中将固体颗粒聚集在颗粒室中，该颗粒室具有带入口开口的上聚集壁，可让颗粒流入颗粒室；
(b)将聚集壁放置在固体颗粒的内部循环中，以便具有水平横断面区域A的颗粒流与之相遇；
(c)使颗粒经由具有总开口区域B的入口开口流入颗粒室内，总开口区域B明显地小于横断面区域A；和
(d)使至少一部分颗粒从颗粒室再循环进入反应室中。
依照本发明的优选实施例，横断面区域A比入口开口的总开口区域B大二倍以上。大的上聚集壁可用于从反应室的大横断面区域收集颗粒。聚集壁可主要在颗粒室上端壁形成，该端壁的区域A具有颗粒室横断面的尺寸和形式。
但是，在本发明的其他实施例中，聚集壁可以是具有延伸部的上端壁形式，该延伸部朝上端壁方向引导颗粒。在此例子中，聚集壁从延伸颗粒流中收集颗粒。
由聚集壁所收集的颗粒可通过使颗粒只流经安排在上端壁的入口开口或上端壁的覆盖限制区域而加以集中。如此导致增加密度的颗粒流经入口开口而进入颗粒室中。借助于入口开口的定位，颗粒流可导入颗粒室中的预定位置。因此，比如颗粒可集中进入颗粒室确定的热交换部分的颗粒。
入口开口也可用于将流入颗粒室内的颗粒分类，因此，入口开口可使比预定尺寸小的颗粒从流化床流经端壁而进入颗粒室。并且，端壁在反应室和颗粒室间形成障壁，而具有大于预定尺寸的颗粒的较大物体随后受引导向下流到颗粒室外的反应室中。
另外，依照本发明，提供一种对在具有颗粒的内部循环的流化床反应器中的固体颗粒加以分类的装置，该装置包含：位于固体颗粒的流化床中的颗粒室。颗粒室具有上聚集壁，该上聚集壁具有水平投影区域A。入口开口(例如孔或槽)位于上聚集壁中，以使流化床中的颗粒流入颗粒室中，入口开口具有总开口区域B，该区域B比区域A小一半以上。并且，颗粒室进一步具有壁，而该壁具有至少一开口，用以从颗粒室中将颗粒再循环进入反应室。
依照本发明的一种优选实施例，热交换表面安排在颗粒室中。因此，热可轻易且有效地从颗粒中回收，而没有大的物体会影响热回收。
颗粒室也可与反应室较低部分的侧壁或分隔壁相邻以收集颗粒。并且，如果需要的话，使需分类的固体颗粒靠重力而沿着壁向下流动。而后，颗粒室最上端或顶部结构形成聚集壁或端壁，上聚集壁可为水平或倾斜的。
颗粒室上端壁可构成障壁且具有开口以让小于预定尺寸的颗粒流经此开口，以避免大的物体流进颗粒室。通过使上端壁由水平而倾斜例如30°到45°，可使大的物体连续地沿着端壁的外侧向下流动，而不会阻塞在端壁的开口。
本发明也可用于如流化床燃烧器中，其中一个或多个颗粒室安排在燃烧室底部。颗粒室可与燃烧室中的侧壁或分隔壁相邻或甚至可自由地设在底部上。在一些实施例中，颗粒室可安排成在燃烧室中高起的凸起。
在热环境中，颗粒室可由水管板构成，如反应室本身。管板可有耐火衬层形成。在上端壁的开口可由结合相邻水管的翅片制成，或由弯曲的一根水管或两相邻水管以提供介于管之间的槽。如果上端壁为耐火衬层，则在耐火衬层上会形成一沟槽，且开口可形成在沟槽的底平面中。如果经由开口导入的颗粒量充足时，在上端壁可以只有一个开口或槽。通常在上端壁具有数个开口或槽以提供足够的颗粒流。在颗粒室顶部的水平或倾斜壁上的槽或多个开口垂直于反应器侧壁而设置也可。
可以利用长颗粒室以基本覆盖侧壁的全部长度或数个侧壁，或是只有一个小颗粒室，或几个在侧壁处互相分离的小颗粒室。
颗粒室例如可达到高于循环流化床反应器的炉栅3至8米高度，因此，可利用颗粒室的上端壁以收集相当大的向下颗粒流，在一些处理中，小颗粒室可处理超过由上端壁所收集的颗粒量，在这些处理中，可将延伸表面连接到上端壁，延伸表面可从邻近区域朝上端壁引导颗粒。
在上端壁中的入口开口可以是在循环流化床燃烧器中的孔或槽，该孔直径或槽的宽度约为50mm，最好为30mm或更小。此种开口只让尺寸小于50mm的圆形颗粒或宽度小于50mm的长形颗粒流经上端壁或障壁。
在流化床燃烧器中，颗粒室可用于进行热回收。蒸发器，过热器或其他热交换/转换表面位于颗粒室中。即使当在燃烧室的上区域无法获得足够的热容量或无法经由颗粒分离器而将外部热交换器连接到外部循环回路时，本发明也可提供在低负载下运行的燃烧器。本发明对于不同的负载或不同的燃料也可在过热和蒸发间获得平衡。如果过热器位于具有比反应室中少的腐蚀气体的颗粒室中，或具有无腐蚀气体的颗粒室中时，当燃烧燃料释放出腐蚀气体时，本发明也可达到较高的蒸气温度。
热交换表面可以任何传统的方式设置在颗粒室中。热交换也可利用将流化空气/气体导入细小材料室而加以控制。流化空气在燃烧室中也可用作二次风。
如果必需从颗粒室中的颗粒回收热时，在颗粒室中固体材料的良好混合是相当重要的。利用在颗粒室的不同端对固体颗粒提供入口和出口，则可得到良好的混合。
颗粒可通过溢出开口从颗粒室再循环进入反应室中。开口可以只设在颗粒室的一个侧壁上，或设在许多侧壁上。如果需要使颗粒室中的颗粒得到良好的混合，最好使溢出开口远离入口开口(入口开口位于上端壁)。
此外，颗粒也可经由气塞(gas lock)而再循环，此气塞如同一窄槽形开口，一个接一个堆叠在颗粒室的侧壁。颗粒也可经由位于颗粒室和反应室之间的L阀形气塞而再循环。通过使在气塞附近的细小颗粒流化而可控制此再循环。颗粒当然也可以利用如螺旋给料器等机械装置而再循环入反应室中。
导入燃烧器中用以控制热交换或用以将颗粒传送到颗粒室的流化空气在燃烧室中也可用作二次风。颗粒入口开口或颗粒出口开口允许气体经由上端壁逆流地向外流至颗粒流。向内流入颗粒室的颗粒不稳定且无法使气体免于从室中逸出。
在循环流化床反应器中，床材料和排出气体一起释放出且在颗粒分离器中与气体分离。而后，颗粒经由颗粒入口再导入反应室中，通常进入反应室的较低部分。依照本发明，当在循环流化床反应器中使用颗粒室时，外部循环的床材料会经由颗粒室全部或部分地再导入反应器中。供外部循环材料用的入口设置在颗粒室中，如果热交换表面设在颗粒室中，则热可从外部和内部的循环材料中回收。
本发明提供改进的装置和方法用以处理在反应室中内部循环的固体颗粒，特别地，本发明也提供改进的方法用以集中大量的颗粒和从这些颗粒中回收热，而颗粒不必在外部循环，且没有会引起问题的大的物体。本发明还可使用简单且坚固的蒸发器结构。
本发明进一步的特征和优点可通过参考下列对附图的详细说明以及权利要求而得到更全面的理解。
图1为依照本发明的第一优选实施例的循环流化床反应器的概略垂直横断面图；
图2和3为依照本发明的另一实施例的流化床反应器的较低部分的概略放大横断面图；
图4为依照本发明的另一实施例的流化床反应室的较低部分的概略等角投影图；
图5和6为依照本发明的另一实施例的颗粒室中的障壁概略放大图；和
图7为图6中障壁的局部剖视透视图。
图1显示一循环流化床反应器10，具有一反应室12，具有炉栅15的传统风箱14用以将流化空气导入反应室中，一已知的颗粒分离器16，一已知的气体出口18，和一已知的返回管20用以再循环固体颗粒进入反应室12。
依照本发明的颗粒室22位于反应室12的较低部分24。依照此实施例，颗粒室22和入口26连接以供颗粒经由返回管20再循环。以这种方式，由反应室12随着通气管气体而释放的相对细小的材料可导入颗粒室22中。该室具有许多入口以供颗粒再循环。且颗粒室22可连接至每一入口或是其中部分入口。
而沿室12的侧壁28向下流动的其他颗粒由形成颗粒室22顶部的障壁30所捕获。障壁30的开口32允许细小的固体颗粒流经障壁30(见箭头34)。大的物体向下流动到颗粒室22的外表面37上(见箭头36)。进入入口26和开口32的颗粒再经由开口38导入反应室的较低部分。
如果有必要，用以将颗粒再导入反应室的开口38可构成一气塞。开口例如可由位于另一个窄槽上的窄槽而形成，而每个窄槽为L形阀。
热交换表面40位于颗粒室22中。热交换表面40例如可为蒸发器或过热器表面。利用从在反应室内部循环的颗粒中回收热，即使在低负载下，也可以产生相当的热量。
图2显示依照本发明的另一实施例的反应室的较低部分124的放大视图。在此实施例中，和图1相同的部分只在其标号前加上“1”。依照此实施例，颗粒室122位于与侧壁128相对的侧壁129附近，侧壁128具有入口126用以使细小固体颗粒循环。颗粒室122位于反应室的最低部分124，反应室的最低部分具有倾斜的耐火衬层壁41，与侧壁129相邻的耐火衬层壁41的一部分42也形成细小材料室122的侧壁。再者，室122的障壁130和侧壁137最好也为耐火衬层。障壁130和侧壁137将反应室的底部124与颗粒室122之间分隔开。
在循环流化床反应器中，颗粒的稠密流沿最低侧壁41向下流动。且相当大部分的颗粒可经由颗粒室122再循环。热交换表面140最好置于颗粒室122内，可通过控制来自风箱46的流化空气流来控制热交换。另外，经由开口138将颗粒再导入反应室112的动作也可通过控制在开口138附近的流化气体流而加以控制。
图3显示本发明的另一实施例。在此实施例中，和图2相同的部分只在其两位的标号前再加上“2”。在此实施例中，颗粒室作为较低反应224的倾斜耐火衬层壁242的一部分而设置，具有预定的直径或宽度的入口开口232设置在耐火衬层侧壁部分242的上部，因此，此上部形成一障壁230。出口开口238位于耐火衬层侧壁241的最下部，用以将颗粒再导入反应室中。固体颗粒经由开口232流入颗粒室，并经由开口238再循环进入反应室。如果有必要，部分颗粒也可从室222经由出口48而排出。
图4显示依照本发明的另一实施例的等角投影图。在此实施例中，和图3相同的部分只在其两位标号前再加上“3”。在此实施例中，入口开口332和出口开口338位于颗粒室322的相反部分用以提供材料的良好混合，出口开口338使固体颗粒从颗粒室322流入反应室312。在颗粒室322中的颗粒高度取决于壁337中出口开口338的位置。
图5和6显示图4的反应器的障壁330的放大视图。在图5中的障壁孔50和图6的槽52形成在耐火层56的沟槽54中，耐火层56覆盖颗粒室332的侧壁337和顶部330。
颗粒室322的壁也可由管板，即由翅片连结的水管或蒸发器管所构成。在图5和6所显示的实施例中的沟槽54制成使水管或蒸发器管间的翅片暴露。开口50或槽52形成在翅片上。
在图6所显示的实施例中，障壁330在沟槽54之间具有屋脊形倾斜表面57，而无明显的水平面。因此，所有向下流至障壁330的颗粒被导向沟槽54底部的槽52。颗粒从一横断区域聚集，该横断面区域比槽52的横断面区域大得多。从至少为槽区域两倍的横断面区域聚集颗粒。屋脊57可以从大区域中聚集和分选颗粒，而无需增加槽52的尺寸或数量。
在本发明的其他实施例中，颗粒室(22、122等)的上壁(30，130等)部分也可形成引导壁，用来将颗粒引向开口或槽。
图7为图6的障壁330的屋脊形部件57的局部横剖视图。屋脊形部件57由覆盖有耐火衬层63的管板V形部分60、62所构成。管板由用翅片66连结的管64所构成。管板部分互相平行设置，并且在相邻部分60、62之间留有槽52。
在每个实施例中，颗粒室(22、122、222、322)的上聚集壁(30、130、230、330)的区域具有水平投影区域A。另一方面，入口开口(32、132、232、50，52)具有总的开口区域B。它比区域A的一半还小。
很明显，依照本发明的装置和方法可加强在流化床反应器中内部循环颗粒的收集和分类。
虽然上文已对本发明的依照目前考虑下最实用且最佳的实施例进行了说明。但是，必需了解的是，本发明并不限于上述揭示的实施例，相反，本发明旨在涵盖包括在权利要求书的精神和范围内的所有变化和等效结构。

Claims (24)

1.一种用以在流化床反应器中循环固体材料的方法，该流化床反应器包含反应室，它具有限定反应室内部的侧壁和位于反应室底部的炉栅；与反应室上端相邻的气体排出口；和在反应室中的固体颗粒的流化床，流化床具有固体颗粒的内部循环；所述方法包括对颗粒室中的颗粒进行处理和使导入颗粒室的至少一部分颗粒再循环进入反应室中的步骤，其特征在于：该方法包括下列步骤：
(a)使具有水平横断面区域A的颗粒流流入朝向上端壁的固体颗粒内部循环；
(b)通过集中具有水平横断面区域A的颗粒流中的颗粒而将颗粒聚集在颗粒室中，使其横截面区域减小；
(c)使被集中的颗粒流经由上端壁的入口开口流入颗粒室内，入口开口的总开口区域B小于横断面区域A；和
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于横断区域A比入口开口的总开口区域B大二倍以上。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(c)通过只允许比预定尺寸小的颗粒从流化床流经端壁而进入颗粒室而完成，该端壁形成至少一部分聚集壁。
4.如权利要求1所述的方法，还包含的步骤为使用位于颗粒室中的热交换表面以从颗粒室中的颗粒回收热。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于步骤(c)使颗粒向下流动。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于步骤(c)大体上允许其最大直径小于30mm的固体颗粒流入颗粒室。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(e)是通过设置在颗粒室的壁中的开口溢出而进行的。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(e)是通过在颗粒室的壁上设置气塞通道，并且利用流化气体流控制气塞而进行的。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(e)是通过将颗粒由一端导入颗粒室中，并从另一端将颗粒再循环进入反应室中而执行，以在执行步骤(e)之前在颗粒室中提供颗粒的适当停留时间和进行良好的混合。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包含的步骤为在循环流化床反应器外部使颗粒循环，并将外部循环的颗粒再经由颗粒室导入反应室中。
11.在流化床反应器中循环固体材料的装置，流化床反应器具有带反应室中固体颗粒的内部循环的固体颗粒流化床，所述装置包括：
限定反应室内部的反应室侧壁和位于反应室底部的炉栅；
气体排出口，与反应室的上端相邻；
位于固体颗粒的流化床中的颗粒室，处于固体颗粒的内部循环中，所述颗粒室具有至少带一开口的壁，用于从颗粒室将颗粒再循环进入所述反应室，其特征在于：
所述颗粒室在上端壁有颗粒聚集区域，具有水平投影区域A；
所述颗粒入口开口位于颗粒聚集区域，所述入口开口具有总开口区域B，比聚集区域A小一半以上，以使颗粒从流化床的固体颗粒的内部循环中聚集起来而流入颗粒室。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述入口开口防止大于预定尺寸的固体颗粒从流化床流入颗粒室。
13.如权利要求11所述的装置，进一步包含位于颗粒室中的热交换表面。
14.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述颗粒室位于反应室的底部上，且该反应室中的一部分侧壁形成颗粒室中的侧壁。
15.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述颗粒室设置在该反应室的底部，并且反应室中的一部分分隔壁形成所述颗粒室的侧壁。
16.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述上端壁位于颗粒室的顶部。
17.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述上端壁位于颗粒室的顶部，且基本为水平的。
18.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述上端壁位于颗粒室的顶部，且是倾斜的，以使大的物体在颗粒室外向下流动。
19.如权利要求11所述的装置，其特征在于上端壁的开口为宽度小于30mm的槽。
20.如权利要求11所述的装置，其特征在于上端壁的开口为具有直径小于30mm的孔。
21.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述开口形成在耐火衬层的沟槽，该耐火衬层覆盖上端壁。
22.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述上端壁由用翅片连结的水管所构成，且在上端壁的开口形成在该翅片中。
23.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述上端壁由用翅片连结的水管所构成，且上端壁的开口通过弯曲两个相邻的水管使之分开来形成槽而构成。
24.如权利要求11所述的装置，进一步包含用于外部循环床材料的装置，包括入口，用以将外部循环的固体床材料再导入颗粒室中。
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