CN1166890C - 循环式流化床加热炉或反应器 - Google Patents

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Abstract

一种循环式流化床处理器具有一至少部分由一前壁和一与前壁隔开的后壁形成的处理器壳体。一底壁与前、后壁相连，并设置一可将初级空气供送穿过底壁以使壳体内的循环床流化的机构。还设置有另一机构用来使流化床从壳体顶部再循环回到壳体。一个或多个二次空气充气室设置在壳体内、位于前壁和后壁之间，用来将二次空气供送至流化床内、底壁上方，从而使二次空气到达壳体深处内。各充气室由一其内具有多个开口的水冷壁形成，以将从其中流过的气体和固体从水冷壁的一侧至另一侧连通起来。

Description

循环式流化床加热炉或反应器
技术领域
本发明总的涉及一种用于循环式流化床(CFB)锅炉、反应器或燃烧器的加热炉构造，特别涉及一种用于上述那些装置的新的加热炉构造，它可以提高将二次燃烧空气引入CFB加热炉的最中心部分内的能力。这是通过提供一个或多个整体式二次空气充气室来完成的，所述的整体式二次空气充气室伸入所述加热炉内、所述流化床的中心附近，用来确保将二次空气较深地透过所述流化床的所有部分。有利的是，(各)整体式二次空气充气室是由被弯曲以形成一个或多个充气室结构的加热炉水冷壁管子构成的。
背景技术
随着CFB锅炉、反应器或燃烧器(下文中称之为CFB反应器)逐渐变得越来越大，因此，就出现了几个涉及到将加热炉或反应器壳体的实际尺寸按比例放大的问题。
在CFB反应器中，通常是进行燃烧处理以降低NOX的排放。这是通过将一部分称作初级空气的燃烧空气注入在那里开始燃烧的加热炉反应器壳体底部内来进行的。然后将称作二次空气或过度燃烧空气的剩余部分燃烧空气注入处于更高位置的所述加热炉反应器壳体，以提供完全燃烧所需的空气平衡。在实际尺寸较大的CFB反应器上，其中一个更重要的按比例放大问题包括保持住喷射二次空气的能力，或者使下部或初级燃烧(反应)区上方的二次空气过度燃烧的能力。该问题是这样产生的，由于加热炉的深度增大，因此，二次空气进入加热炉反应器壳体中心的能力被使空气能全部穿透流化床从而进入所述加热炉的中心所需的喷管尺寸和速度限制在一数值为15至20英寸的实际最大值。
其它的方法是通过将下加热炉分成两部分而形成一所谓的裤腿结构来解决该问题的。这种设置提供了两个部分，每一部分均将加热炉的深度有所降低，这样由于加热炉的总有效深度被降低了近似1/2，因此可以使适量的二次空气通过。这种装置的缺点包括加热炉一侧(一条裤腿)内的流化固体与所述加热炉另一侧(另一条裤腿)内的固体分开，从而使得均匀燃烧和对温度的控制更为困难。
授予Alexander等人并转让给Babcock&Wilcox Company的美国专利No.5,343,830揭示了一种循环式流化床反应器，它具有多个通向燃烧空间的二次空气或过度燃烧空气入口。该专利的内容援引在本文中作为参考，因为它揭示了在CFB加热炉或反应器内的各种已知构件。
授予Mitchell等人的美国专利No.3,921,590揭示了一种分离式流化床燃烧室，它在所述流化床的两部分之间具有一连通通道。
授予Moss的美国专利No.4,517,162揭示了一种流化床反应器，它是利用固体壁将流化床分成多个部分，并且其内没有任何穿孔。还可以参见授予Ganster等人的美国专利No.4,917,028。在授予Oshita等人的美国专利No.4,938,170和5,138,982中也可以找到流化床区域被分割的循环式流化床的几个例子。授予Abdulally的美国专利No.5,218,932中揭示了一种使用阻挡系统(baffle system)的流化床反应器。
发明内容
本发明的基本方面包括一用于CFB反应器的加热炉构造，其中设置有一个或多个整体式二次空气充气室，它们伸入所述加热炉内所述流化床的中心附近，以保证使二次空气较深地透过所述流化床的所有部分。有利的是，(各)整体式二次空气充气室由被弯曲而形成一个或多个充气室结构的加热炉水冷壁管子构成。各水冷壁管子可以由各根管子制成或被预先装配入水冷壁膜式管板，从而形成从所述加热炉反应器壳体的一侧至另一侧延伸的敞口沟槽或充气室。各面板可以根据需要形成为菱形、椭圆形、矩形、圆形或其它形状，以便为二次空气流提供一足够大的敞口区域，以将二次空气分配给沿加热炉反应器宽度方向设置的各二次空气喷嘴，并且最好是朝着两个相对方向，以便使空气穿透单个加热炉反应器壳体的前壁和后壁。充气室膜壁本身是由各个管子、间隔的膜壁(板)、或甚至是单个的膜壁管面板所构成，该单个膜壁管面板具有穿孔，以便使气体和固体在加热炉反应器壳体前、后部之间加以良好流通。其目的是，使加热炉反应器壳体的特性保持如同单个加热炉区域一样，但是其引入二次空气的能力却得以加强。设置足够的水冷壁网路，以使形成二次空气充气室的管子与CFB内的水/蒸汽网路流体连通，还可以根据需要在每个整体式二次充气室的底部或顶部或这两个部分上设置一个或多个集管，以供这种流体连通之用。在一个或多个二次空气充气室的上、下方设置若干个开口，以使通过该炉式反应器壳体的固体获得良好的连通。
因此，本发明的一方面旨在提供一种循环式流化床反应器，它包括一位于反应器外壁之间的二次空气充气室，以使二次空气沿着加热炉/反应器壳体的宽度方向有效地分布，而不需要极大的喷嘴、较高的速度或特殊装置来使空气到达流化床的中心部分。在本专利说明书中，为了简便起见而使用术语CFB反应器，但应予理解的是，该术语应包括CFB反应器、燃烧器或锅炉。具体地说，本发明尤其适用于采用CFB燃烧器作为产热装置的锅炉或蒸汽发生器。但是，该术语还应包括这样的一些装置，包括：将CFB反应器壳体用于化学反应而不是用于燃烧加工；或者将在别处燃烧加工所产生的气/固混合物提供给反应器壳体进行进一步处理；或者所述反应器仅仅提供一壳体，在所述壳体中，颗粒或固体被夹带在一种不一定是燃烧加工的副产物的气体中。因此，术语CFB反应器应包括用于包括化学和物理加工在内的各种加工的CFB燃烧器和CFB反应器。
本发明的另一方面在于提供一种循环式流化床反应器，它包括：一加热炉反应器壳体，所述加热炉反应器壳体至少部分是由一前壁、一与所述前壁隔开的后壁以及一连接在所述前壁和所述后壁之间的底壁形成的；用来使初级空气穿过所述底壁以对所述加热炉反应器壳体内的一循环式流化床进行流化的装置；以及用来使所述流化床材料从所述加热炉反应器壳体的顶部再循环回到所述反应器壳体下部的装置。二次空气充气室设置在所述壳体内、位于前壁和后壁之间，用来将二次空气供送至流化床内、所述底壁上方。
本发明的又一目的在于使二次空气穿过前壁和后壁供送并可以从所述壳体的前壁或后壁或从所述壳体的底部供送至所述充气室内。
本发明的又一目的在于提供一种用来在水冷壁管子外形成充气室的装置，其中设置有各开口，可以使气体或流化床材料穿过所述水冷壁从所述壳体的一侧流至壳体的另一侧。
本发明的又一目的在于提供这样一种CFB反应器，它包括一个或多个基本上中心定位的(各)二次空气充气室，并且设计简单，结构坚固且制造起来较为经济。
构成本发明特征的各新颖特征将在后附的且构成本揭示内容一部分的权利要求书中具体指出。为了更好地理解本发明、通过使用所获得的工作优点和特殊益处，下面将结合附图和本发明的一较佳实施例进行描述。
附图说明
在各附图中：
图1是本发明第一实施例的循环式流化床反应器的侧视图；
图2是与图1相类似的本发明另一实施例的侧视图；
图3是与图1相类似的本发明又一实施例的侧视图；
图4是沿图3中线4-4剖取的中间供气管道的某一部分的纵剖平面图，所述中间供气管道可为二次空气充气室供送空气；
图5是与图1相类似的本发明再一实施例的侧视图，该实施例采用了多个二次空气充气室；
图6是沿图5中线6-6剖取的中间供气管道的某一部分的纵剖平面图，所述中间供气管道可为二次空气充气室供送空气；
图7是沿图3中线7-7剖取的、图5所示的多个二次空气充气室实施例的剖视图；
图8是与图1相类似的本发明又一实施例的侧视图；
图9是与图5相类似的本发明又一实施例的侧视图，该实施例采用了多个并排设置的二次空气充气室；以及
图10是与图5相类似的本发明又一实施例的侧视图，该实施例采用了多个并排设置的二次空气充气室。
具体实施方式
现请参阅附图，在各附图中，凡是相同的标号均表示相同或功能类似的构件，具体请参阅图1，图1所示的实施例包括一由10总的表示的循环式流化床(CFB)反应器，该反应器具有一加热炉反应器壳体11，它具有一由水冷壁制成的前壁12和一同样由水冷壁制成的后壁14。水冷壁或膜式水冷壁是用于燃烧室或锅炉的管子以及填充件的已知构造，用来圈围一空间并用作一从所述空间吸取热量的热交换机构。虽然所述的加热炉反应器壳壁通常是水冷壁表面构造，但是，诸如耐火的非流体冷却装置之类的其它构造也可以用于外前壁、外后壁和外侧壁。加热炉反应器壳体11还包括一底壁16，它具有多个喷嘴18，用来将初级燃烧和流化空气从一形成在底壁16下方的空气室20喷射入加热炉反应器壳体11的底部。呈再循环导管22形式的颗粒再循环装置以及诸如分离器之类以24标示的辅助机构在加热炉反应器壳体11的顶部相连，并与一回流管26相连，以使至少一些固体材料可从加热炉反应器壳体11的顶部返回，可将含有循环式流化床的气体和固体送回到加热炉反应器壳体11的一靠下的位置，由此获得一种循环式流化床(CFB)装置。
在图1-图3、图5和图8-图10中，每一图的左侧表示所述前壁，右侧表示所述后壁，各侧壁则位于各附图的平面内。
本发明提供了一个或多个充气室30，可使二次空气基本上沿着加热炉反应器壳体11的中心流动并与之成一整体，而不用将加热炉反应器壳体11物理地分成两个独立的部分。充气室30最好由各膜管板32构成，所述膜管板形成自加热炉反应器壳体11的一侧至另一侧的敞口沟槽或充气室。各膜管板可以形成一横截面为菱形、方形、矩形、卵形、椭圆形或圆形或其它所需形状的充气室30，并具有可使二次空气从其中流过并沿其分配给各二次空气喷嘴31的、足够大的敞口区域，所述各喷嘴与每一充气室30流体地连接，且横过加热炉反应器壳体11的宽度，并具有两个相反的方向，从而可以朝着单个加热炉反应器壳体11的前壁12以及朝着后壁14穿透。在所有的附图中，二次空气是由充气室30朝箭头B方向来供送的，在前壁和后壁12、14处是由集管40朝箭头C方向来供送的。
形成充气室各膜式水冷壁32的各管子是由各单根管子、各间隔的膜式水冷壁(板)、或单一的一块具有多个能将加热炉反应器壳体11的前部和后部之间的气体和固体良好连通起来的开口的膜板来供料的。该水冷壁网路将一位于炉底17下方的入口或供送集管34与充气室30的底部或下部36相连。
在形成充气室30之后，出口膜式管38还可以包括各单根管子、间隔的膜式水冷壁(板)、或一块具有多个能将加热炉反应器壳体11的前部和后部之间的气体和固体良好连通起来的开口的膜板。箭头A示意性地示出了这种气体和固体自这些膜式水冷壁管子的一侧至另一侧的流体连通情况。该膜式水冷壁网路将充气室30的顶部或上部与一位于炉顶(图中也未予以示出)上方的出口集管或各集管(未示)相连。采用这种装置，(各)二次空气充气室包括有能承受加热炉反应器壳体11内部的高温环境的流体冷却结构，并且，多个穿过该壁面(在这些管子之间)的开口能使加热炉反应器壳体11的前部和后部之间的固体在加热炉反应器的上、下部进行良好流通或运动。
采用本发明的装置，二次空气的穿透可通过将用来使空气穿过加热炉深度所需的距离分成加热炉总深度的近似一半来加强，而不用将加热炉反应器壳体11的下炉(或上炉)部分物理地分成两部分。实际上，本发明可以使加热炉的深度加倍，并可以使二次空气有效地穿透，而不会违反有关于空气喷嘴尺寸和空气射流速度的声响工程实用方法，同时还可以有效地保持单一的一个能对燃烧和其它工作参数加以良好控制的流化床。
图2示出了另一种充气室30的结构；此处的充气室30呈一细长的菱形形状，并且可以在42和43处设置入口集管和出口集管。应予理解的是，可以仅设置集管42，而不设置集管43，或者反过来，并且，在一些安装情况中，集管42和43可能都会被使用。这有助于使位于(各)充气室30上方或下方的管子具有不同的间距。
在图1所示的基本发明中，二次空气是从充气室30的各端部供送到整体式充气室30内的。在较宽的加热炉中，这种充气室30的长度可以增大而超过一理想尺寸，从而能根据需要使沿着并穿过充气室30的空气速度保持不变，以使空气良好地分配给各喷嘴31，所述各喷嘴是横过CFB反应器10的宽度设置的。藉助图3和图4(以及将在下文中描述的图5-图7)所示的特殊的膜式水冷壁网路，可以沿着加热炉反应器壳体11的宽度方向以一定间隔设置也是由流体冷却管制成的中间供气管道44。该附加实施例借助这样一种充气室30，即，其空气流动横截面面积小于其空气仅通过端部供送的空气流动横截面面积，来将充气室30内的二次空气速度保持在合理的数值，从而使空气得以良好分布，也就是，通过根据需要加设中间供气管道44，可以使充气室30的空气流动横截面面积和形状对于所有宽度的加热炉而言保持恒定，同时还可以保持二次空气良好的分布，并可以使充气室30的设计标准化。
图5-7示出了本发明的另一个方面，其中，可以设置多个二次空气充气室30。采用与前文相同的标记。如图7所示，中间供气管道44向上延伸穿过加热炉反应器壳体11从而可将二次空气供送至每一充气室30。集管42、43可以根据具体情况而设置在或者不设置在某一充气室30的下端和上端。二次空气最好借助如图所示的进气充气室50而送至中间供气管道44，从上充气室30来的中间供气管道44的短延伸部可以将二次空气供送至上充气室30。图7还示出了中间供气管道44是如何设置在图5所示的实施例中的；只需省略上充气室30和中间供气管道44的短延伸部，就可以看到相同的情况。
图8示出了本发明的另一实施例，其中加热炉反应器壳体11的前壁和后壁12、14可以向内倾斜，从而使加热炉反应器壳体11的下部小于其上部。如须改变循环式流化床的动态特性，则可以采用这种变化形式。图中以虚线13示出了另一种水冷壁构造。
最后，图9和图10示出了本发明的又一实施例，其中本发明的整体式二次空气充气室的设计概念可以用在更大且更深的CFB反应器构造中。图9是一种变化形式，它是图3和图5所示实施例的组合。如图9所示，可以并排地设置多个整体式二次空气充气室30，而不是将它们如图5所示的那样将一个设置在另一个上方。每一整体式二次空气充气室30均可以借助其自身的一组独立的中间供气管道44而供送二次空气。类似的，图10是图5的变化形式，它表示还可以将多对整体式二次空气充气室30并排的设置，每一对充气室均包括一下、上整体式二次空气充气室30。同样，在图5所示的实施例中，每对充气室中的下整体式二次空气充气室30可以借助中间供气管道33来供送空气，而每对充气室中的上整体式二次空气充气室30可以借助与下整体式二次空气充气室相连的、前述较短的中间供气管道44而供送空气，如图7所示和描述的那样。
虽然已对本发明的几个特定实施例进行了图示和具体描述，以说明本发明的应用原理，但是应予理解的是，在不背离这些原理的情况下还可以有其它的例子来实施本发明。

Claims (9)

1.一种循环式流化床反应器，它包括：
一加热炉反应器壳体，它至少部分是由一前壁、一与所述前壁隔开的后壁以及一连接在所述前壁和所述后壁之间的底壁形成的；
用来使初级空气穿过所述底壁以对所述加热炉反应器壳体内的一循环式流化床进行流化的装置；
用来使所述流化床从所述加热炉反应器壳体的顶部再循环回到其下部的装置；以及
水冷壁装置，用来将至少一个整体式二次空气充气室形成在所述加热炉反应器壳体内以将二次空气供送到所述流化床内、所述底壁上方，所述水冷壁装置在所述加热炉反应器壳体内基本垂直延伸，并具有多个通孔，从而可以使从其中通过的气体和固体从水冷壁装置的一侧至另一侧、在加热炉反应器壳体的前部和后部之间、在其上部和下部得以良好流通。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述加热炉反应器壳体包括：各侧壁、在所述的各侧壁之间延伸的至少一个整体式二次空气充气室。
3.如权利要求2所述的反应器，其特征在于，它包括与至少一个整体式二次空气充气室相连通的、自所述壳体的底部垂直延伸的中间供气管道。
4.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述至少一个整体式二次空气充气室的横截面和所述中间供气管道的横截面是从以下形状中选择出来的：方形、矩形、卵形、圆形、椭圆形和菱形。
5.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述水冷壁装置包括多个整体式二次空气充气室和与所述整体式二次空气充气室相连通的中间供气管道。
6.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述多个整体式二次空气充气室是一个位于另一个上方。
7.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述多个整体式二次空气充气室是并列设置。
8.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述用来在加热炉反应器壳体内形成至少一个整体式二次空气充气室以将二次空气供送至所述流化床内、所述底壁上方的装置包括多对整体式二次空气充气室和与每对中的至少一个整体式二次空气充气室相连通的中间供气管道。
9.如权利要求8所述的反应器，其特征在于，每对整体式二次空气充气室中的所述整体式二次空气充气室是一个位于另一个上方。
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