CN110892196A - 流化气体喷嘴头以及具有多个流化气体喷嘴头的流化床反应器 - Google Patents

流化气体喷嘴头以及具有多个流化气体喷嘴头的流化床反应器 Download PDF

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Abstract

一种适于连接到流化床反应器的流化气体馈送设备的流化气体喷嘴头(24)，所述流化气体喷嘴头包括：入口通道(26)，所述入口通道(26)具有纵向轴线、入口端部(32)和第二端部(36)，所述入口通道的所述入口端部适于将所述入口通道连接成与所述流化气体馈送设备竖直气体流动连接；四个出口通道(46)，所述四个出口通道中的每一者从第一端部(44)延伸到出口端部(54)；以及气体分配空间(42)，所述气体分配空间(42)具有底面(40)和与所述底面相对的顶板(48)，其中所述入口通道的所述第二端部和所述四个出口通道的所述第一端部连接成与所述气体分配空间直接气体流动连接，其中所述四个出口通道的所述第一端部中的每一者具有中心点，所述中心点限定具有至少2:1的长宽比的具有两个长边和两个短边的矩形。

Description

流化气体喷嘴头以及具有多个流化气体喷嘴头的流化床反 应器
技术领域
本发明涉及一种流化气体喷嘴头以及一种具有多个流化气体喷嘴头的流化床反应器。因此，本发明尤其涉及一种适于连接到流化床反应器的流化气体馈送设备（例如具有竖直流化气体馈送管的风箱）的流化气体喷嘴头，用于将流化气体馈送到所述流化床反应器。
背景技术
流化床反应器（例如循环或鼓泡流化床锅炉或气化炉）包括由竖直侧壁、顶板和底板限定的反应室，并且具有保持在其中的固体颗粒（例如沙子、石灰石、灰烬和燃料颗粒）的流化床。通过使流化气体（例如燃烧空气）从流化气体供应装置（例如布置在底板下方的所谓的风箱或连接到反应室的侧壁的所谓的空气棒）通过流化气体喷嘴到达反应室来使所述床流化。流化气体通过流化气体喷嘴按预先确定的相对高的速度并且按预先确定的方向喷射到反应室中。
流化床反应器的常用流化气体喷嘴由钢制成，并且包括竖直流化气体馈送管和流化气体喷嘴头，流化气体通过其被水平或稍微向下引导到流化床反应器并均匀分配到所有方向或指向特定方向。竖直流化气体馈送管和流化气体供应装置的组合在下文称为流化气体馈送设备，由此流化气体喷嘴头连接到流化气体馈送设备。
美国专利号5,575,086示出一种流化气体喷嘴构造，其包括整体连接到流化气体喷嘴头部分的竖直流化气体馈送管。流化气体喷嘴头部分包括两个或四个圆柱形管子，其从水平平面朝向流化床反应器的底板以约20度的角度对称安置在竖直流化气体馈送管的顶部部分的侧面处。
美国专利号3,708,887示出一种流化气体喷嘴构造，其包括竖直流化气体馈送管和通过螺纹配件连接到所述竖直流化气体馈送管的厚壁流化气体喷嘴头。流化气体喷嘴头包括圆柱形气体分配空间和穿过所述气体分配空间的侧壁钻取的多个对称布置且向下倾斜的出口通道。根据另一实施例，流化气体喷嘴头是T形的，并且在所述流化气体喷嘴头的水平延伸部中的每一者中包括多个向下指向的孔口。
波兰专利号217 984 B1公开一种流化气体喷嘴头，其包括具有竖直轴线的入口通道、在入口通道的顶部上的水平延伸的空间以及连接到所述水平延伸的空间的端部部分的两个出口通道，其中所述出口通道包括与入口通道的轴线向外成30度的角度的竖直上部部分和下部部分。
韩国专利公开物100725001示出一种流化气体喷嘴，其包括竖直流化气体馈送管和流化气体喷嘴头。流化气体馈送管在中心突出到流化气体喷嘴头中的空的空间中，所述空的空间具有大于流化气体馈送管的外直径的直径。具有卵形横截面的多个向外倾斜的出口气体通道在空的空间的底部的外圆周处具有上端部。
流化气体喷嘴头的众所周知的要求是在流化床反应器的低操作负荷下最小化床材料从流化床回移到流化气体供应装置的风险。通常由流化床中的局部压力变化导致的回移对流化气体喷嘴头的设计细节非常敏感。
本发明的目的是提供一种格栅式喷嘴，其在苛刻操作条件下耐用，并且其中气体流动被优化以便甚至在低操作负荷下也最小化回移的风险。
发明内容
根据一个方面，本发明提供一种适于连接到流化床反应器的流化气体馈送设备的流化气体喷嘴头，所述流化气体喷嘴头包括：入口通道，所述入口通道具有纵向轴线、入口端部和第二端部，所述入口通道的所述入口端部适于将所述入口通道连接成与所述流化气体馈送设备竖直气体流动连接；四个出口通道，所述四个出口通道中的每一者从第一端部延伸到出口端部；以及气体分配空间，所述气体分配空间具有底面和与所述底面相对的顶板，其中所述入口通道的所述第二端部和所述四个出口通道的所述第一端部连接成与所述气体分配空间直接气体流动连接，其中所述四个出口通道的所述第一端部中的每一者具有中心点，所述中心点限定具有至少2:1的长宽比的具有两个长边和两个短边的矩形。
具有按具有长边和短边的矩形的形式布置的四个出口通道的流化气体喷嘴头与常规对称的喷嘴头的不同之处在于其尤其将流化气体分配到两个水平相反的方向，由此其使得能够在气体分配空间中实现理想气体流动，同时保持流化气体流的稳定且平衡的分割。
根据本发明的优选实施例，所述入口通道的所述第二端部和所述四个出口通道的所述第一端部直接连接到气体分配空间的底面。有利地，气体分配空间的底面垂直于入口通道的纵向轴线具有大致矩形的横截面，并且所述入口通道的所述第二端部和所述四个出口通道的所述第一端部中的每一者具有矩形横截面、尤其有利地是正方形横截面。从而，所述入口通道的所述第二端部和所述四个出口通道的所述第一端部的横截面被有利地布置成基本上覆盖气体分配空间的底面的横截面。横截面的此布置对形成紧凑的流化气体喷嘴头是有利的。入口通道和出口通道的矩形端部在气体分配空间中的所述布置提供紧凑的几何结构和理想流动路径，用于将流化气体划分到出口通道。
气体分配空间有利地关于对称平面对称，所述对称平面垂直于由所述四个出口通道的所述第一端部的中心点限定的矩形的长边。从而，入口通道的纵向轴线的延长线沿着所述对称平面伸展，并且所述四个出口通道的所述第一端部在气体分配空间中对称，使得所述四个出口通道中的两个出口通道的第一端部位于对称平面的每一侧上。从而，所述两个出口通道的位于对称平面的同一侧上的第一端部之间的距离小于所述两个出口通道的在对称平面的相对侧上的第一端部之间的距离。
气体分配空间可以是大致自由的空间，但是根据本发明的尤其有利的实施例，所述气体分配空间由竖直划分壁划分成两个大致相同的半部，使得所述第一端部中的两者位于所述划分壁的每一侧上，所述竖直划分壁平行于由所述四个出口通道的所述第一端部的中心点限定的矩形的长边。所述划分壁优选地从气体分配空间的顶板延伸到其底面。所述划分壁有效地增加出口通道的长度，并且从而防止相邻出口通道之间的压力脉动。因此，划分壁确保气体到每一出口通道的均匀流动，并且从而最小化床材料通过喷嘴回移到气体供应装置的风险。
根据本发明的优选实施例，连接到顶板的分隔壁布置在气体分配空间的垂直于上述划分壁的对称平面中。此分隔壁引导流化气体在气体分配空间中的流动，使得等体积的气体流动到对称平面的两个侧面中的所述对的出口通道。为了有效，分隔壁有利地从顶板延伸从顶板到底面的距离的至少40 %的距离。根据本发明的尤其有利的实施例，分隔壁从顶板延伸到入口通道。从而，与反应器中的不均匀的床压力有关的流化气体到出口通道的不均匀分配的风险被最小化。
基于入口通道、气体分配空间和四个出口通道的紧凑布置，流化气体喷嘴头有利地也具有紧凑外部形状。从而，入口通道、气体分配空间和四个出口通道优选地由共同的平滑表面封闭。此形状在流化床反应器的侵蚀和/或腐蚀条件下尤其耐用。此紧凑的流化气体喷嘴头有利地通过铸造来制造。
所述四个出口通道中的每一者有利地包括竖直延伸的、有利地至少几乎竖直的上部部分。从而，当竖直入口通道的第二端部和所述四个出口通道的所述第一端部直接连接到气体分配空间的底面时，流化气体流在气体分配空间中产生至少几乎完全180度的转向，与例如具有从入口通道的竖直轴线倾斜30度的出口通道的喷嘴相比，这降低了床材料颗粒回移的风险。为了在气体分配空间中实现流化气体的平滑转向，气体分配空间的顶板有利地在所述入口通道的所述第二端部上方大致平坦，并且在出口通道的第一端部上方具有弧形形状以便将顶板平滑地接合到出口通道。
甚至当出口通道的上部部分竖直时，出口通道也有利地具有从对称平面向外成角度的下部部分。当出口通道的竖直延伸的上部部分从对称平面向外成角度至少10度并且每一出口通道的下部部分从对称平面向外成角度比同一出口通道的上部部分多至少10度时形成尤其有利的流化气体喷嘴头。已经注意到，此出口通道设计提供流化气体到反应器的极佳分配，并且同时其使得能够保持出口通道中的流化气体速度分布，从而最小化回移。根据本发明的有利实施例，出口通道或至少其下部部分向外倾斜成使得所述四个出口通道的出口端部的中心点限定具有至少3:1的长宽比的矩形。
流化气体馈送设备通常包括具有圆形横截面的竖直流化气体馈送管，根据本发明的流化气体喷嘴头将连接到所述竖直流化气体馈送管中的每一者。因此，入口通道通常包括具有圆形横截面的入口端部。由于入口通道有利地具有带有矩形或正方形横截面的第二端部，因此入口通道有利地包括用于使圆形横截面转化为矩形或正方形横截面的过渡区段。相应地，有利地具有带有矩形或正方形横截面的第一端部的出口通道有利地具有带有圆形横截面的出口端部和用于使矩形或正方形横截面转化为圆形横截面的过渡区段。
为了进一步最小化床颗粒的回移，入口通道和/或所述四个出口通道中的每一者有利地包括沿气体流动方向减小的横截面面积。根据本发明的有利实施例，通道的沿气体流动方向减小的横截面面积在所述通道的分别具有圆形和矩形横截面的两个部分之间的过渡区段中实现。
根据另一方面，本发明涉及一种流化床反应器，其包括具有根据上述实施例中的任一者的流化气体喷嘴头的多个流化气体喷嘴。
当结合附图时，通过参考根据本发明的目前优选、但尽管是说明性实施例的以下具体实施方式将更全面地了解本发明的以上简要描述以及其它目的、特征和优点。
附图说明
图1示意性地示出具有多个流化气体喷嘴的流化床锅炉。
图2示意性地示出根据本发明的实施例的流化气体喷嘴头的竖直横截面。
图3示意性地示出根据本发明的实施例的流化气体喷嘴头的水平横截面。
图4示意性地示出根据本发明的实施例的流化气体喷嘴头的来自下方的平面视图。
具体实施方式
图1的示意图示出流化床反应器10，其可以例如是循环或鼓泡流化床锅炉或气化炉。所述流化床反应器包括由竖直侧壁14、顶板16和底板18限定的反应室12，并且具有保持在其中的固体颗粒（例如沙子、石灰石、灰烬和/或燃料颗粒）的流化床。通过使流化气体（例如燃烧空气）从流化气体供应装置20到达反应室来使所述床流化。在图1中，流化气体供应装置包括布置在底板18下方的风箱，但是流化气体供应装置可替代地还可以为另一类型，例如一组连接到反应室的侧壁的所谓的空气棒（air bar）。流化气体供应装置20设置有用于将流化气体从流化气体供应装置馈送到反应器的流化气体馈送管22。在图1中，所述流化气体馈送管中的每一者配备有流化气体喷嘴头24以按预先确定的相对高的速度和到达反应室的预先确定的方向来提供流化气体的最佳馈送。实际上，流化床反应器还包括许多其它部件，例如燃料馈送喷嘴、排气通道等等。然而，由于此类部件与本发明无关，因此将它们从图1省略。
图2示出根据本发明的优选实施例的流化气体喷嘴头24的沿着图3中的线B – B所示的竖直平面的竖直横截面。所述横截面示出具有纵向轴线S的入口通道26。当流化气体喷嘴头安装在流化床反应器中时，所述入口通道将通常竖直以便向上馈送流化气体。因此，术语（例如‘下部’或‘底部’）的使用是指当喷嘴头安装在其正常位置中时相应特征的相对位置。
入口通道26包括具有加宽的下部部分30的入口部分28，当流化气体喷嘴头连接到流化床反应器的流化气体供应装置时，流化气体馈送管将焊接到其中。可替代地，用于将流化气体喷嘴头连接到流化床反应器的流化气体馈送设备的装置可以为任何其它合适类型，例如根据美国专利号9,333,476已知的卡口式扭锁连接。
入口通道26的入口部分28包括具有圆形横截面的入口端部32，如将结合图4所论述。入口通道26的最后部分在本文中称为第二部分34，其具有上端部（所谓的第二端部36），所述上端部具有大致矩形或正方形的横截面，如将结合图3所论述。在入口部分28和第二部分34之间存在从圆形横截面到矩形横截面的过渡部分38。入口通道26的第二端部36布置在气体分配空间42的底面40处。
气体分配空间42可以为大致自由的空间，但是根据本发明的有利实施例，所述气体分配空间由划分壁78划分成两个相同半部，使得两个出口通道（例如图2中的出口通道46和46’）在划分壁78的同一侧上。因此，通过入口通道26进入喷嘴头的气体流首先由划分壁78划分到气体分配空间的两个半部，并且此后划分到对应的出口通道46、46’。因此，划分壁有效增加出口通道的长度，并且从而防止相邻出口通道之间的压力脉动。因此，划分壁确保气体到每一出口通道的均匀流动，并且因此最小化床材料通过喷嘴回移到气体供应装置的风险。
除了入口通道26的第二端部36以外，气体分配空间42的底面40还包括流化气体喷嘴头的四个出口通道46的第一端部44。因此，入口通道26的第二端部36和四个出口通道46的第一端部44被连接成与气体分配空间42直接气体流动连接。
将结合图3详细描述入口通道26的第二端部36和四个出口通道46的第一端部44的形状和布置。气体分配空间42包括与底面40相对的顶板48，所述顶板包括在入口通道26的第二端部36上方的大致平坦区段50和在出口通道46的第一端部44上方的弧形区段52，以便将所述顶板平滑地接合到所述出口通道。
图2示出两个出口通道46、46’，其在流化气体喷嘴头24的下部面56上具有出口端部54，但是实际上流化气体喷嘴头24包括四个出口通道，如从图3和图4可见。出口通道46、46’的第一端部44具有大致矩形的横截面，如在图3中可见，并且出口通道的出口端部54具有大致圆形或卵形的横截面，如在图4中可见。因此，出口通道46、46’包括过渡部分58，在过渡部分58中，出口通道的横截面从矩形转化为圆形。所述四个出口通道中的每一者以及还有入口通道26有利地包括沿气体流动方向减小的横截面面积。
四个出口通道46、46’中的每一者有利地包括竖直延伸的上部部分60和从所述上部部分的方向向外成角度的下部部分62。上部部分可以是竖直的，但是有利地其从竖直方向向外成角度至少10度。相应地，每一出口通道46的下部部分62有利地向外成角度比同一出口通道的上部部分60多至少10度。术语向外成角度在此处意味着远离对称平面C – C倾斜，这将在图3中更清楚地示出，所述平面包括轴线S并且垂直于图2的平面。
流化气体喷嘴头24的下部面56有利地包括水平中心区段64（其包括入口通道26的入口端部32）以及向上倾斜的外部区段66（其包括四个出口通道46的出口端部54）。下部面56的向上倾斜的外部区段66大致垂直于相应出口通道46的下部部分62的方向。
连接到顶板48的分隔壁68有利地布置在垂直于图2的平面的中心对称平面C – C处。分隔壁有利地从顶板48延伸从顶板48到底面40的距离的至少40 %的距离。分隔壁68还可以从顶板48延伸到入口通道26内，例如，延伸到入口通道26的第二部分34。
根据本发明的流化气体喷嘴头24通常具有紧凑的外部形状，其中入口通道26、气体分配空间42和四个出口通道46全部由共同的平滑表面封闭。所述喷嘴头有利地通过耐用材料（例如在高温下适用的奥氏体不锈钢）的铸造来制造。因此，所述喷嘴头在流化床反应器的苛刻操作条件下尤其耐用。
图3示出图2的流化气体喷嘴头24的沿着如图2中的线A – A所示的水平平面的横截面视图。图3在横截面的中心部分处大致示出气体分配空间42的底面40，并且更特定来说，入口通道26的第二端部36和四个出口通道46的第一端部44。在气体分配空间42的中心处可见分隔壁78，分隔壁78从气体分配空间的顶板大致延伸到其底面的水平面。
如图3中所见，入口通道26的第二端部36和四个出口通道46的第一端部44中的每一者具有大致矩形的横截面。气体分配空间的底面40具有基本上由入口通道26的第二端部36和出口通道46的四个第一端部覆盖的大致矩形的横截面。
图3还示出四个出口通道46的第一端部44的中心点P。根据本发明，中心点P限定具有优选地至少2:1、甚至更优选地至少3:1的长宽比的具有两个长边68和两个短边70的矩形66。如从图3可见，气体分配空间关于垂直于长边68的对称平面C – C对称。因此，四个出口通道46的第一端部44对称布置在气体分配空间中，使得两个出口通道的第一端部并排位于对称平面C – C的每一侧上。
图4示出流化气体喷嘴头24如朝向喷嘴头的下部面56所见的平面视图。因此，可以看到，下部面56的水平中心区段64处的入口通道26的入口端部32和下部面56的向上倾斜的区段66处的出口通道46的出口端部54中的每一者具有圆形横截面。图4还示出入口通道24的加宽部分30的边缘。通过入口通道26还可以看到入口通道26的第二端部36和气体分配空间的划分壁78的正方形横截面。图4还示出沿着对称平面C – C连接到气体分配空间42的顶板48的分隔壁68。
由于出口通道46从对称平面C – C向外成角度，因此出口通道46的出口端部54的中心点Q限定具有大于上文结合图3所论述的出口通道的第一端部的长宽比的长宽比的具有两个长边74和两个短边76的矩形72。从而，矩形72的长宽比优选地为至少3:1、甚至更优选地至少5:1。
虽然本文中已经结合目前被认为是最优选实施例的实施例通过示例描述了本发明，但是应理解，本发明并不限于所公开的实施例，而是旨在涵盖其特征的各种组合或修改以及包括在如在所附权利要求中限定的本发明的范围内的数个其它应用。

Claims (15)

1.一种适于连接到流化床反应器的流化气体馈送设备的流化气体喷嘴头(24)，所述流化气体喷嘴头包括
-入口通道(26)，所述入口通道(26)具有纵向轴线(S)、入口端部(32)和第二端部(36)，所述入口通道的所述入口端部适于将所述入口通道连接成与所述流化气体馈送设备竖直气体流动连接，
-四个出口通道(46)，所述四个出口通道中的每一者从第一端部(44)延伸到出口端部(54)，以及
-气体分配空间(42)，所述气体分配空间(42)具有底面(40)和与所述底面相对的顶板(48)，其中，所述入口通道的所述第二端部和所述四个出口通道的所述第一端部连接成与所述气体分配空间直接气体流动连接，
其特征在于：所述四个出口通道(46)的所述第一端部(44)中的每一者具有中心点，所述中心点限定具有至少2:1的长宽比的具有两个长边和两个短边的矩形。
2.根据权利要求1所述的流化气体喷嘴头，其特征在于：所述入口通道(26)的所述第二端部(36)和所述四个出口通道(46)的所述第一端部(44)直接连接到所述气体分配空间(42)的所述底面(40)。
3.根据权利要求2所述的流化气体喷嘴头，其特征在于：所述气体分配空间(42)的所述底面(40)垂直于所述入口通道(26)的所述纵向轴线(S)具有大致矩形的横截面(64)，并且所述入口通道(26)的所述第二端部(36)和所述四个出口通道(46)的所述第一端部(44)中的每一者具有矩形的横截面。
4.根据权利要求3所述的流化气体喷嘴头，其特征在于：所述入口通道(26)的所述第二端部(36)和所述四个出口通道(46)的所述第一端部(44)的所述横截面基本上覆盖所述气体分配空间(42)的所述底面(40)的所述横截面。
5.根据权利要求1所述的流化气体喷嘴头，其特征在于：所述四个出口通道(46)的所述出口端部(54)中的每一者具有中心点，并且所述四个出口通道被布置成使得所述出口端部的所述中心点限定具有至少3:1的长宽比的矩形。
6. 根据权利要求1所述的流化气体喷嘴头，其特征在于：所述气体分配空间(42)关于对称平面(C – C)对称，所述对称平面(C – C)垂直于由所述四个出口通道(46)的所述第一端部(44)的所述中心点(P)限定的所述矩形(66)的所述长边(68)，其中，所述入口通道(26)的所述纵向轴线(S)的延长线沿着所述对称平面伸展，并且所述四个出口通道(46)的所述第一端部(44)在所述气体分配空间(42)中对称，使得所述四个出口通道中的两个出口通道的所述第一端部(44)位于所述对称平面(C – C)的每一侧上。
7. 根据权利要求6所述的流化气体喷嘴头，其特征在于：连接到所述顶板(48)的分隔壁(68)布置在所述气体分配空间(42)的所述对称平面(C – C)中。
8. 根据权利要求7所述的流化气体喷嘴头，其特征在于：所述分隔壁(68)从所述顶板(48)延伸从所述顶板到所述底面(40)的距离的至少40 %的距离。
9. 根据权利要求6所述的流化气体喷嘴头，其特征在于：所述气体分配空间(42)由划分壁划分成两个半部，所述划分壁垂直于所述对称平面(C – C)布置并且从所述顶板(48)延伸到所述底面(40)。
10.根据权利要求1所述的流化气体喷嘴头，其特征在于：所述流化气体喷嘴头(24)具有紧凑的外部形状，其中，所述入口通道(26)、所述气体分配空间(42)和所述四个出口通道(46)由共同的平滑表面封闭。
11. 根据权利要求6所述的流化气体喷嘴头，其特征在于：所述四个出口通道(46)中的每一者包括竖直延伸的上部部分(60)和从所述对称平面(C – C)向外成角度的下部部分(62)。
12. 根据权利要求11所述的流化气体喷嘴头，其特征在于：所述四个出口通道(46)中的每一者的所述竖直延伸的上部部分(60)从所述对称平面(C – C)向外成角度至少10度，并且每一出口通道(46)的所述下部部分(62)从对称平面(C – C)向外成角度比同一出口通道(46)的所述上部部分多至少10度。
13.根据权利要求1所述的流化气体喷嘴头，其特征在于：所述气体分配空间(42)的所述顶板(48)在所述入口通道(26)的所述第二端部(36)上方包括大致平坦部分(50)，并且在所述四个出口通道(46)的所述第一端部(44)上方具有弧形部分(52)，以便将所述顶板(48)平滑地接合到所述出口通道(46)。
14.根据权利要求1所述的流化气体喷嘴头，其特征在于：所述四个出口通道(46)中的每一者包括沿气体流动方向减小的横截面面积。
15. 一种流化床反应器(10)，其特征在于：所述反应器包括连接到根据权利要求1 –14中的任一项所述的多个流化气体喷嘴头(24)的流化气体馈送设备(20)。
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