CN1137762A - 压力容器内的离心分离器 - Google Patents
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Abstract
提供一种加压流化床反应器,它利用一种具有显然是非圆形的气体空间,最好圆度大于或等于1.15的离心分离器。这种旋风分离器最理想具有一个方形(例如正方形)截面,并和包括流化床的反应室一起安置在压力容器内部。在压力容器内部可提供一些连接到旋风分离器气体出口的烛式或蜂窝陶瓷过滤器,以便过滤气体。因为使用方形旋风分离器的反应室要比用传统的圆截面旋风分离器更紧凑,所以这种结构使压力容器有最小直径。另外由于在压力容器内有足够空间来安放过滤器,所以不需要为烛式或蜂窝过滤器设置的第二个压力容器。
Description
发明背景和概述
已经知道一些加压流化床反应器,例如在美国专利4,869,207中所示的反应器。在这些反应器中,尽管从一套装置到另一套装置,或在一套装置内,压力事实上是变化的,但一台包括反应室的压力容器被保持在高于大气压的压力下,也就是说2bar或更高的压力,而优选为约8-16bar(对于燃烧室)的压力。然而这类加压反应器的一个很重要的费用是压力容器本身,特别对于固体物容积比鼓泡床反应器大的循环流化床反应器。随着压力容器容积的增加,其费用成几何方式而不是成直线方式上升。因此要求将压力容器内保持在可能的最小尺寸下。但是在压力容器内和反应室一起使用传统的旋风分离器时很多空间被明显浪费了,并且为容纳下传统的旋风器,压力容器必须被成比例地加大。如果将旋风器放在压力容器外面,在从反应室将热烟气引到旋风分离器,以及在旋风分离器颗粒循环通道和反应室之间都必须提供密封。
母体申请包括一种明显是非圆形的旋风分离器,一般有一个方形截面的旋涡室,或气体空间。本发明已经发现将一个或许多明显非圆形的旋风分离器和一台加压流化床反应器组合在一起,形成一种紧凑得多的结构,使压力容器具有一个最小的尺寸,因而得到一种加压流化床反应器的经济结构,由于可直接将旋风分离器安装在压力容器内,因此不需要对旋风分离器进行密封。
本发明加压流化床反应器中旋风分离器的紧凑排列还有另一个优点。由于这种紧凑性,为其它结构件提供了额外空间,例如允许将陶瓷过滤器元件,例如陶瓷烛式或蜂窝过滤器和反应室以及旋风分离器安装在同一个压力容器中(例如在旋风分离器下面或上面),因而不需要为气体过滤器设置第二台压力容器,从而显著降低了整个系统的费用。
本发明提供一种加压流化床反应器,它包括以下部分:一台圆形截面的压力容器,能承受超过2bar的压力,并有一个顶和一个底。将该容器加压到超过2bar压力的设施。一个限定在压力容器内部,包括侧壁和一个顶板的反应室。将流化气体引入到反应室中的设施。将燃料加到反应室中的设施。将热燃烧气体导离反应室的设施。以及一台设置在该压力容器内部的离心分离器,它有一个和将热燃烧气体导离反应室的设施相连接的入口,一个从分离器通到压力容器外的气体出口,以及一个将分离出来的固体颗粒从分离器循环到反应室的返回通道。该离心分离器包括一个垂直旋涡室,由显然是非圆筒形的壁面限定一个内部气体空间,该气体空间具有明显非圆形的截面,其圆度大于或等于1.15。
该气体空间一般为方形截面,旋风分离器事实上由平板制成。
该离心分离器可以包括一个一级离心分离器,并可以有一个二级离心分离器,它具有和一级分离器同样的如上所述的基本部件。分离器可被布置在反应室相对的侧面,连接到反应器室的侧壁,或者可以被布置在反应室的同一侧,彼此相邻或一个在另一个的上面。如果一台位于另一台的上面,并且一台分离器的气体出口向上排气,那么另一台(上分离器)最好是向下排气,这样有一个共同的气室连接到它们的气体出口。多个事实上相同的分离器可以成组地(例如成对地)安装在反应室相对的两侧。反应室可以有一个第一截面积,而每一个分离器的气体空间有一个第二截面积,这些截面积可以大体上相等。
将压力容器加压的设施可以包括在压力下在容器顶部通入含氧气体使其内部充压的设施,加压气流还包括在其底部向反应室供给流化气体的设施。也可以采用其它充压方式。在反应室上可以提供许多欧米加板,沿其长度方向延伸,并可将分离器安装在反应室长度方向的侧面上,平行于欧米加板。
此外反应器可包括一些陶瓷过滤设施,例如安装在压力容器内一个固定架上的烛式,整体式或蜂窝过滤器,他们有一个脏气体入口,一个清洁气体出口和一个灰渣口出口;该脏气体入口连到分离器的气体出口上。在说明书和权利要求中使用的术语“陶瓷过滤设施”意指常规的陶瓷烛式,整体式或蜂窝过滤器,或将开发的,能从高温气体,例如流化床反应器的烟气中过滤颗粒的改进过滤器。可用许多不同的排列方式来布置陶瓷过滤设施。在一种排列方式中沿反应室的一侧安装分离器,将其连接到反应室的一个侧壁上,并将其气体出口向下引出,而固定架和陶瓷过滤设施的过滤器则被安装在反应室和分离器同一侧的壁上,位于分离器下方,过滤设施的过滤器通常沿水平方向延伸。
按另一种排列方式,沿反应室的一侧安装分离器,将其连接到反应室的一个侧壁上,其气体出口向上引出,而固定架和陶瓷过滤设施则被安装在反应室顶板和分离器上面。按又一种排列方式,将分离器安装在反应室所限定的容积内,其气体出口向上引出,而固定架和陶瓷过滤设施则被安装在反应室顶板和分离器上面。用另一种方式,可将烛式或整体过滤器垂直排布在反应室第一侧提供的脏气体入口上,并使灰渣出口在反应室相对的第二侧上,从第一侧到第二侧之间延伸着一块向下倾斜的底板。在这种情况下烛式或整体过滤器可以有不同长度,邻近第一侧为短的,而邻近第二侧为较长的。
本发明主要目的是提供一种紧凑的,将旋风分离器或分离器组置于压力容器内部的加压循环流化床反应器,以及一种还可以容纳陶瓷过滤设施,而不需为过滤器单独设立一个压力容器的反应器。通过对本发明详细说明的审查以及所附的权利要求可对本发明的这种以及其它目的有清楚的了解。
附图简要说明
图1是本发明一种典型加压流化床反应器的纵视图,部分是剖面图,部分是正视图;
图2是图1反应器沿2-2线的剖面图;
图3是和图2相似的视图,表示略有不同的反应器实施方案;
图4是图3反应器的顶透射图,用虚线表示压力容器本身;
图5,7,9和11是本发明一些不同的典型反应器实施方案的侧面示意图,而图6,8和10分别是图5,7和9反应器的断面示意图;
图12是图11实施方案修改部分的剖面详图,表示一种不同的离心分离器气体出口连接排列方式;
图13是本发明反应器另一种实施方案的断面图,表示在对一个给定的压力容器直径为优化反应室截面积进行计算时用到的反应室,旋风分离器和压力容器之间的各种尺寸关系;
图14是本发明另一种示范反应器的侧面示意图,表示安装在压力容器中邻近旋风分离器气体出口的气体过滤元件;
图15是图14反应器的详图,表示成陶瓷过滤棒或过滤块形式的单个过滤元件;
图16是和图14相似的图,只是代表本发明反应器的又一种实施方案;以及
图17是本发明加压循环流化床反应器最后一个示范性实施方案的侧面示意图。
附图详细说明
在图1和2中用参考号10来概括地表示本发明一种典型加压循环流化床反应器的实施方案。反应器10包括一台压力容器11,它包含一个反应室12以及一个或多个(例如在图1和2中的2个)离心分离器(旋风器)13。压力容器11一般用特种钢制造,其截面为圆形(如图2所示),并且能承受高于大气压的压力,即超过2bar的压力(例如约8-16bar)。容器11有一个顶盖14和一个底盖15。
提供了将容器11充压到超过2bar(例如约8-16bar)压力的设施。可以在压力下经过容器11顶盖14上的管道16(见图1)强制通入含氧气体来进行加压,由于容器11是压力密封的,容器的整个内容积将基本上达到加压气体16的压力。如果气体16是含氧气体,也可以使其向上流入反应室12,作为那里的燃烧气和/或流化气体。按另一种方法,或除此方法以外可以在反应室12底部(见图1)提供管道17,以引入流化气体,保持反应室12中的流化床。还提供传统的设施将燃料加入到反应室中(在图1中用18示意),以及向反应室供给其它原料,例如用于吸收污染物的吸收剂(例如石灰石),用19示意。燃料可以是煤、油、生物质或其它含碳或含氢的燃料,一般成固体散粒状,或将燃料和例如水及吸收剂混合制成的浆液。还提供从反应室12的传统灰渣排出口,如图1中20所示。
按照本发明,反应器10的离心分离器或分离器组13是象母体申请中所示的分离器。也就是说每个分离器13有一个垂直的旋涡室21(见图1),它由明显非圆筒形的壁面22限定一个截面明显为非圆形的旋涡室或内部气体空间21。一般空间21的圆度大于1,优选为大于1.1,而最好是大于或等于1.15。如图1和2所示,优选结构为使室21有方形(例如正方形)截面,分离器13基本上用平板构成。这种排列不仅提供一个较紧凑的空间,而且使分离器13的造价比传统的圆形分离器更便宜。
每个分离器13在其内部还有一个旋涡溢流管23,并且还有一个返回通道24,使分离出来的固体颗粒从分离器13循环到反应室12。室21设有一个和旋涡溢流管23同心的气体出口25,在图1和2所描述的实施方案中气体出口管25经一个合适的密封穿出压力容器11的顶盖14。
如习惯那样,作为反应器10内的构件可以提供各种水冷却板,以便回收反应室12的燃烧热,并维持构件的寿命。例如平行于反应室12的长度方向的面28(垂直于它的宽度方向的面29)可提供传统结构的欧米加板27,以便从反应室12回收热量。也可以和分离器13一起提供传统的水冷却板,例如象在母体申请中所述的,由水管组成的板22。
在图1和2的实施方案中有2台旋风分离器13并列地安装在反应室12的一个沿长度方向的壁面28上。这仅仅是一个示范性实施方案,还可能有许多其它的排列方式。例如图3和4表示本发明的另一种反应器10′,除旋风分离器的数量不同以外,反应器10′与反应器10相同,所以就可比较的部件而言,图3和4中的参考号和图1和2实施方案中相同。
图5至12图解说明本发明的其它实施方案,它们和图1至4的实施方案有同样的基本构件,但是旋风分离器的排列不同。例如图5表示一台反应器32,在保持在高于大气压的压力下的压力容器34中有一个反应室33,在压力容器内旋风器35以这样一种方式布置在反应室33相对的两侧,使反应室上段36比反应器32的主燃烧段33窄,上段36实际上包括将热燃烧气从反应室33引至旋风器35的设施,如水平箭头所示,在分离器35的顶部提供了如垂直箭头所示的气体出口。每一个结构件35可以包括一个单独的矩形旋风器,或多个方形旋风器。
在图7和8的实施方案中,反应器37有一个反应室38以及在其相对两侧的旋风器39,但这些旋风器39的结构与图5和6的旋风器35略有不同,同时反应室38从上到下的截面积不变。构件38和39位于压力容器40内部。在图9和10的实施方案中,反应器42有一个压力容器43,在它里面设有一个反应室44,并有一单个旋风器在其一侧。
图11图解说明一台反应器48,它包括一个压力容器49,在49内有一个反应室50,以及两个旋风器51,它们一个在另一个的顶上,每个旋风器有其自己的热燃烧气入口52。因为旋风器51是垂直叠放的,和某些其它实施方案相比所占的空间更小。在此实施方案中气体出口53从它们各处的旋风器51双双向上延伸。
图12是反应器48′的剖面详图,反应器48′和反应器48相似,不同之处是上旋风器51′的气体出口53′向下延伸,而下旋风器51的气体出口53则向上延伸。气体出口53,53′通到一个共同的气室54,它和压力容器49加压内部空间55的其余部分隔离,并通过一个和压力容器49密封接合的管道56,使旋风器51,51′的热气体通到颗粒过滤器或其它传统设备。
图13图解说明一台反应器60,该图带有尺寸标注,以便针对一个特定直径的压力容器61从数学上计算最佳的反应室尺寸。压力容器61的内径为D,反应室62的宽度为W,长度为L。在反应室62的每一侧表示有一些旋风分离器63,分离器63的数目为X,所示的每一个分离器具有边长为d的正方形截面。
很显然在图13中反应室62的截面积是L乘以W,而旋风器63旋涡室的面积为X(在此情况为8)乘以d2。因为希望反应室62的面积等于旋涡室63的面积,以下公式是正确的:
于是给X和D代入希望的数值,就可以计算出最大的反应室62面积。可能因其它因素,例如压力容器的进口和出口,各种附件的位置等而存在更经济和成本低的解决方案,并不总是使用最大的反应室面积,但在很多场合进行反应室62最大尺寸计算还是值得的。
本发明另外更显著的好处是因使用例如在美国专利5,114,581和4,793,292中所示的陶瓷过滤设施,而能够不单设一个压力容器来过滤由离心分离器出口排出的气体。这种安排提供了较大的过滤面积/体积比,可减少一个过滤器单元所需的空间,并允许将过滤单元直接安装在一个压力容器内,本发明压力容器和方形旋风器特别的组合提供了足够的内部空间,允许将陶瓷过滤器和反应室及旋风器安装在同一个压力容器中。
图14和15示意性地并且更详细一些地表示本发明的一个包括陶瓷过滤器元件的加压循环流化床反应器的实施方案。在压力容器66内部是反应室67,安装在反应室一侧或相对两侧的一个或多个方形截面的旋风器68,一个从旋风器68引出的颗粒循环管道69,以及从旋风器68通向陶瓷过滤设施71的气体出口70。在图15中用参考号72代表陶瓷过滤设施的单个过滤器,它们如图所示通常沿水平方向延伸,被安装在固定架73上,在它们的一侧有一个脏气体入口74(和管道70相通),在另一侧是一个清洁气体室75,与清洁气体出口76相通, 76穿过压力容器66通到下一个工艺过程(例如通到一台透平去回收其中的热能)。在脏气体室74的底部77处设有一个为例如飞灰或其它颗粒的灰渣出口,用于处理从通过过滤器72的气体中分离出来的颗粒。一般按例如美国专利5,242,472所示的传统方式,靠反吹过滤器72除去颗粒(在图中未示出)。
在图15中可以看到空气在压力作用下由78通入压力容器66顶部,围绕反应室67流过,然后如79所示作为流化空气向上流动,燃料和吸收剂或其它类似原料等在80所示处加到反应室67中,而待处理的灰渣在反应室67底部通过管道81排出。采用本发明所述的方法在反应器的压力容器66内提供充分的过滤面积,有效地过滤容器66内事实上最优尺寸的反应室所产生的全部气体,能减少所需费用。
图16图解说明了图14和15反应器的一个稍有不同的变型,在此实施方案中用相同的参考号但后面缀一个“′”号来代表和图14和15的实施方案类似的部件。反应器65′和65的主要区别是旋风器68′的气体出口76′是向上的,而且陶瓷过滤设施71′的单个过滤器72′是安装在反应室67′和旋风器68′上面的。
图17图解说明本发明加压循环流化床反应器80的另一种实施方案,在此方案中旋风器和陶瓷过滤器的位置不同。图17示意说明旋风器81不仅定位于压力容器82内部,而且定位在反应室83本身所限定的空间中,靠近反应室顶部的热气体通过入口84进入旋风器81,分离掉颗粒的气体从旋涡溢流管内的气体出口85排出,而被分离的颗粒则经管道86循环到反应室83的底部。旋风器81被安装在支承板86上,板86划定的气室87是用88概括代表的细长过滤器(例如烛式或整体过滤器)的脏气体入口。烛式或整体过滤器88被安装在一块倾斜底板89的上方,垂直方向延伸,在顶部被固定在支承板90上,清洁气室91位于过滤器88脏气体气室87的另一侧。在此实施方案中最靠近从气室87来的入口94的细长过滤器93最短,它们逐渐变长,在反应室83相对于第一组过滤器93的另一侧的过滤器95最长。被过滤器88分离出的颗粒的排灰管道96位于反应室83和入口94相对的另一侧。
用参考号92概括地代表用于周期性清洗过滤器88的反吹脉冲单元。单元92是脉冲阀,它使用自97通入的加压气体,在打开时反吹过滤器88。每个阀门88的一端通到空间98,而其另一端则通到过滤器88内部。和过滤器88周围的压力相比,阀门92周围空间98中的气体压力是足够高的,以便进行反吹。这种安排是非常有利的,因为它不需要穿过反应器80的加压气体管线和外部的加压罐。
按照本发明的一个优选实施方案,如图13所示加压循环流化床反应器包括一个或多个通常相同的分离器,其中所说的反应室有一个一次截面积,其中所说的一个或多个分离器中的每一个有一个其气体空间的二次截面积,并且根据优选实施方案,所说的一次截面积大体上等于所说的二次截面积之和。这样以D代表所说的压力容器内径,d代表每个分离器气室每一边的长度,L和W代表所说的反应室的长和宽,就可以对一个特定的压力容器直径D通过求解下述方程组来确定反应室的最佳面积:
在用由许多气密安装管子构成的水冷壁作为蒸汽发生器时,为了将反应器系统安排得更紧凑,最好将离心分离器和反应室连接到同一个蒸汽发生回路上。
由此可见本发明提供了一种结构紧凑,节省费用,效率高的加压循环流化床反应器。虽然已在现在被认为是最实用和优选的实施方案中对本发明做了说明和介绍,在本发明的范围内可以做许多修改,这对于本领域普通技术人员来说是显而易见的,本发明的范围和所附权利要求书中最广泛的解释相一致,因此包括了所有相当的结构和设备。
Claims (22)
1.一种加压循环流化床反应器,包括:
一个压力容器,圆形截面,能承受2bar以上的压力,并有一个顶和一个底;
将所说容器充压到2bar以上压力的设施;
一个限定在所说压力容器内,包括侧壁和一个顶板的反应室;
将流化气体引入所说反应室的设施;
向所说反应室加入燃料的设施;
将热燃烧气体导离所说反应室的设施;其特征为
一个设置在所说压力容器内的离心分离器,有一个连接到所说的将热燃烧气体导离所说反应室的设施的入口,一个从所说分离器通到所说压力容器外的气体出口,和一个将分离出的固体颗粒从所说分离器循环到所说反应室的返回通道;
所说离心分离器包括一个垂直旋涡室,由明显为非圆筒形的壁面限定一个内部气体空间,所说的气体空间有一个明显是非圆形的截面,其圆度大于或等于1.15。
2.权利要求1所述的加压循环流化床反应器,其中所说的气体空间具有方形截面,该分离器主要由平板构成。
3.权利要求1所述的加压循环流化床反应器,其中所说的离心分离器包括一个一级离心分离器,此外还包括一个安装在所说压力容器内的二级离心分离器,离心分离器有连接到所说的将热燃烧气体导离所说反应室的设施的入口,一个从所说二级分离器通到所说压力容器外的气体出口,和一个将分离出的固体颗粒从所说二级分离器循环到所说反应室的返回通道;
所说的二级离心分离器包括一个垂直旋涡室,由明显是非圆筒形壁面限定一个内部气体空间,所说的气体空间有一个显然是非圆形的截面,其圆度大于或等于1.15。
4.权利要求3所述的加压循环流化床反应器,其中所说的离心分离器事实上是相同的,并且布置在所说反应室的同一侧,连接到所说反应室所说的壁面上。
5.权利要求3所述的加压循环流化床反应器,其中所说的离心分离器事实上是相同的,并且布置在所说反应室的同一侧,一个位于另一个上面。
6.权利要求3所述的加压循环流化床反应器,其中所说的一级离心分离器气体出口向下排出,而所说的二级离心分离器气体出口向上排出,并且所说分离器的一个安装在另一个上面,使所说的一级分离器在顶上,它们安装在所说反应室的一侧,有一个共同的连接到所说气体出口的气室。
7.权利要求3所述的加压循环流化床反应器,其中所说的分离器彼此相邻地并列安装在所说反应室的一侧。
8.权利要求1所述的加压循环流化床反应器,其中所说的离心分离器包括一个一级离心分离器;此外还包括三个另外的离心分离器,它们和所说的一级离心分离器事实上相同,安装在所说的压力容器内,所说的分离器成对,并列和彼此相邻地安装,所说的分离器对在所说反应室相对的两侧彼此相对。
9.权利要求1所述的加压循环流化床反应器,它还包括陶瓷过滤设施,包括许多安装在所说压力容器内一个固定架上的单个过滤器,该设施有一个脏气体入口,一个清洁气体出口,和一个灰渣出口,所说的脏气体入口连接到所说分离器的气体出口上。
10.权利要求9所述的加压循环流化床反应器,其中所说的分离器沿着所说反应室的一侧安装,连接到反应室的一个侧壁上,同时所说的固定架和所说过滤设施的所说过滤器也沿着所说分离器所在的所说反应室的同一侧壁安装,所说过滤器一般沿水平方向延伸。
11.权利要求9所述的加压循环流化床反应器,其中所说的分离器沿着所说反应室的一侧安装,连接到反应室的一个侧壁上,并且所说的气体出口向下引出,而所说固定架和所说过滤设施的所说过滤器安装在所说分离器所在的所说反应室的同一侧壁上,位于所说分离器的下方,所说的过滤器一般沿水平方向延伸。
12.权利要求9所述的加压循环流化床反应器,其中所说的分离器沿着所说反应室的一侧安装,连接到反应室的一个侧壁上,并且所说的气体出口向上引出,而所说固定架和所说过滤器安装在所说反应室顶板和所说分离器的上面。
13.权利要求10所述的加压循环流化床反应器,其中所说分离器安装在所说反应室限定的容积内,并且所说的气体出口向上引出,而所说固定架和所说过滤器安装在所说反应室顶板和所说分离器的上面。
14.权利要求13所述的加压循环流化床反应器,其中所说过滤器是细长型的,垂直放置,其中所说脏气体入口在所说反应室的一个初级侧,而所说灰渣出口在所说反应室的一个次级相对侧。
15.权利要求14所述的加压循环流化床反应器,它还包括一块从所说初级侧向所说次级侧延伸的向下倾斜的底板;所说的细长过滤器有不同长度,靠近所说初级侧的短,而靠近所说次级侧的较长。
16.权利要求1所述的加压循环流化床反应器,其中所说的将所说压力容器充压的设施包括压力下在所说容器顶部引入含氧气体使其内部充压的设施,所说的充压气流还包括在其底部向所说反应室供给流化气体的设施。
17.权利要求2所述的加压循环流化床反应器,它还包括一个或多个通常相同的分离器;其中所说反应室有一个第一截面积,而所说的一个或多个分离器的每一个有一个其气体空间的第二截面积,并且所说的第一截面积事实上等于所说第二截面积之和。
18.权利要求4所述的加压循环流化床反应器,它还包括一个或多个通常相同的分离器;其中所说的反应室有一个第一截面积,而所说的一个或多个分离器中的每一个有一个其气体空间的第二截面积,并且所说的第一截面积事实上等于所说的第二截面积之和,同时其中D为所说压力容器的内径,d为每个分离器气体室的每一边的长度,L和W为所说反应室的长度和宽;其中对一个特定的压力容器直径D,通过解以下方程组确定反应室的最佳面积
19.权利要求4所述的加压循环流化床反应器,其中D是所说压力容器的内径,d是每个分离器气室每边的长度,L和W是所说反应室的长和宽,X是分离器的数目;其中对于一个特定的压力容器直径D,通过解以下方程组确定反应器的最佳面积
20.权利要求9所述的加压循环流化床反应器,它还包括全部安装在所说压力容器内的反吹设施,以便周期性地反吹所说的过滤器使其清洁。
21.权利要求20所述的加压循环流化床反应器,其中所说的反吹设施包括许多脉冲阀,每个阀的一端通入所说容器的加压气体,而其另一个端则通向一个或多个过滤器的内部。
22.权利要求1所述的加压循环流化床反应器,其中所说反应室有一个长度和一个宽度,此外还包括许多装在所说反应室上,沿其长度延伸的欧米加板,其中所说的分离器包括一个一级分离器,并提供许多事实上每个都和所说的一级分离器相同的分离器,所说的分离器沿所说反应室长度方向侧壁,平行于所说的欧米加板安装在所说反应室宽度方向相对的两侧。
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