CN1202961A - 具有多个炉出口的循环式流化床反应器 - Google Patents

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Abstract

一种内部再循环的循环式流化床(IR－CFB)炉反应器(100),具有两个或多个位于反应器(100)上部(38)中的相对前、后炉壁(102,104)上的出口(40)。冲击式颗粒分离装置(60)都位于各出口(40)处以将经过出口(40)流出反应器(100)的燃烧已燃烧的气体(56)中所挟带的颗粒分离。

Description

具有多个炉出口的循环式流化床反应器
发明领域
本发明总地涉及一种具有一内部冲击式初级颗粒分离器并无需外部的和内部的循环管道就能使所有初次收集到的固体颗粒在内部返回到反应器或燃烧室底部以便进行随后再循环的循环式流化床(CFB)反应器或燃烧室。具体地，本发明涉及一种改进的CFB反应器或燃烧器结构，其中CFB反应器罩壳或炉子具有多个炉出口。这种结构可增加炉的深度并且减少炉的宽度，而形成一紧凑的低成本新结构，或者特别适宜用于补充现有的使用矿物燃料的蒸汽发生器所占容量，只要这种现存的容量是CFB式的。
发明背景
在构成本说明书一部分的几个附图中，类似的标号表示相同或功能类似的部件。图1和2都是用于生成工业加工所需和/或发电所需蒸汽的已知CFB沸腾炉装置的示意图。参见图1所示，燃料和吸附剂输送到壳壁2内一炉1底部，它们一般为流体冷却管。向一风箱4提供用于燃烧和流化的空气3，并且空气经过分配板5上的小孔进入炉1。燃料气体和所挟带的颗粒/固体6向上流过炉1，向壳壁2释放出热量。在大多数设计中，还通过过热空气输送管7向炉1输送额外空气。
图1的装置提供两级颗粒分离：炉内冲击式颗粒分离器或U形束13和外冲击式颗粒分离器或U形束14。由于这种U形束轮廓和其功能的特殊设计现已被揭示，(见：例如授予Belin等人的U.S.专利4,992,085号和4,891,052号，授予Alexander等人的美国专利5,343,830号，这些专利都已转让给巴布考克及威尔考克斯公司)，所以在此不再赘述，所要说的是仅是炉内U形束将其所收集的颗粒直接返回到炉1中，而外U形束将其所收集的颗粒通过颗粒存储料斗11和L形阀12、即所谓的颗粒返回系统15返回炉中。一空气口16输送空气以控制通过L形阀12的固体或颗粒的流速。
已燃烧的气体和固体颗粒6经过装有对流热表面18的对流通道17。该对流热表面18根据需要可以是蒸发式、节约器或过热器。
虽然在图1所示装置中未示，但在对流通道17下游还将设置一空气加热器以进一步从已燃烧的气体和固体颗粒6中吸取热量。还将设置一多管式旋风式集尘器(未示)以使固体颗粒再循环到炉罩壳的下部。
在CFB反应器中，正在反应的和未反应的固体颗粒都被向上气体流带到所密封的反应器中，该气体流将固体颗粒携带到反应器上部的出口处，在该处固体颗粒被内和/外颗粒分离器分离。所收集的固体通常通过内部或外部管道返回到反应器底部。在图1所示的装置中，L形阀12是一压力密封装置，该装置由于反应器底部和颗粒分离器出口之间的高压差而用作返回管道的一部分。在反应器出口处的初级分离器收集大部分循环固体颗粒(一般为95％至99.5％)。在大多数情况下，还采用一辅助(次级)颗粒分离器和有关的再循环装置以使由于初级分离器的低效而发生的循环固体颗粒损失最小。
内部冲击式颗粒分离器都包括多个支撑在炉的罩壳内并且排列成至少两排垂直伸过炉出口的凹形冲击或撞击件。所收集的颗粒沿着壳壁在收集件的下方无阻碍且不成流的下落。此分离器已经证实在增加CFB燃烧器中的平均密度时是有效的，而不会增加外部所收集和再循环的固体颗粒，同时仍可简化分离器结构布置、不会发生堵塞以及使炉出口的气体流均匀。后一作用对于防止由于高速度气体-固体颗粒流冲击造成的壳壁和炉内加热表面如翼片的局部腐蚀是尤为重要的。
在此已知实施例中，包括两排冲击件的内部冲击式颗粒分离器一般与下游外部冲击式颗粒分离器组合使用，从中所收集的固体颗粒可以通过一外部管道返回到炉中。外部冲击式颗粒分离器和有关的颗粒返回装置、例如图1中的颗粒存储料斗和L形阀都是需要的，因为一般包括两排冲击件的内部冲击式颗粒分离器的效率不足以防止过量的固体颗粒携带到下游对流气体通道，这可引起对流表面腐蚀以及增加次级颗粒收集/再循环设备的所需容量。
同样在转让给巴布考克及威尔考克斯公司的、授予Alexander等人的美国专利5,343,830中揭示了一种完全新式的CFB反应器或燃烧器，它可使所有初级收集的固体颗粒内部返回到反应器或燃烧室的底部以便接下来再循环，而不需外部和内部再循环管道。图2是这种内部再循环式的循环流化床(IR-CFB)沸腾炉30的示意图。
在图2中，CFB沸腾炉30前部或反应器罩壳32示出在图2左侧，CFB沸腾炉30后部或反应器罩壳32示出在图2右侧，CFB沸腾炉30或反应器罩壳32的宽度垂直于图2所处的纸面。
CFB沸腾炉30具有一炉或反应器罩壳32，一般为矩形截面的，并且由流体冷却壳壁34局部构成。壳壁一般都是通过一钢隔板互相分离的管道以获得一气密性罩壳32。该反应器罩壳32还具有一下部36、一上部38和一位于上部38出口处的出口40。诸如煤的燃料和诸如石灰石的吸附剂42都通过那些本技术领域中普通技术人员所知的任一种传统装置以规则和定量的方式送入下部36。一种可采用的典型设备包括重力进料机、旋转阀和注射螺杆(仅举例说明而并不仍限于此)。初次空气44通过风箱46和与之连接的分配板48进入下部36。如果需要，流化床排出口50可以将垃圾和其它杂质从下部36移出，过度燃烧的空气供应口52、54为燃烧提供所需的平衡空气。
由CFB燃烧所产生的已燃烧的气体/固体颗粒混合物56向上经过反应器罩壳32从下部36流到上部38，而将其中所含的一部分热量传送到流体冷却壳壁34。一初级冲击式颗粒分离器58位于反应器罩壳32的上部38，并且包括四至六排凹形冲击件60，它们排成两组-上游组62有两排，下游组64有两至四排，较佳地为三排。冲击件60由反应器罩壳32顶66处悬出并且不是平面的；它们可是U形、E形、W形或任何其它形状，只要它们具有一下凹表面。冲击件60的第一个两排都是相互交错的，这样已燃烧的气体/固体颗粒56可穿过它们而使所述挟带的固体颗粒冲击此下凹表面；第二个两至四排冲击件60同样是相互交错的。冲击件60的上游组62将收集气体中所夹带的颗粒并且克服已燃烧的气体/固体颗粒56的交错流动使它们在内部自由下落并且直接落向反应器罩壳32的下部36。
冲击件60都位于反应器罩壳32的上部38，完全横跨出口40并且刚好位于其上游。除了盖住出口40之外，下游组64的各冲击件60也伸出出口40下升程点或工件点68近似一英尺。然而在较佳实施例中，与上游组62的冲击件60相反，下游组64的冲击件60下端伸入完全位于反应器罩壳32中的空腔装置70中，以容纳从下游组64落出的所收集颗粒。
由下游组64所收集的颗粒也必须返回到反应器罩壳32的下部36。因而提供连接到空腔70上的返回装置72并且也完全位于反应器罩壳32内。返回装置72将来自空腔装置70的颗粒直接从内部返回到反应器罩壳32中，这样它们就可沿着壳壁34无阻碍地不成流地向下落到反应器罩壳32下部36中以便接下来再循环。在此实施例中，空腔装置70所起的作用更象一临时传送机构，而非一用于一段时间内储存颗粒的地方。由于使颗粒沿壳壁34下落，使得穿过反应器罩壳32向上流动的气体/固体颗粒再挟带颗粒的可能性最小。
连接到反应器罩壳32出口开口40处的是一对流通道74。当先穿过上游组62再穿过下游组64之后，已燃烧的气体/固体颗粒(其固体内容物已经显著地减少，但仍含有一些未被初级冲击式颗粒分离器58去除的细小的颗粒)从反应器罩壳32出去而进入对流通道74。位于对流通道74中的是CFB沸腾炉30所需的热传递表面75。多种结构都是可能的，并且更详细地参见美国专利5,343,830。热传递表面75的不同形式、如蒸发表面、节约器、过热器或空气加热器和类似装置也可位于对流通道74中，本技术领域中普通技术人员所周知的，这仅受到加工蒸汽或利用的动力条件和热动力条件的限制。
在穿过对流通道74中的所有或部分加热表面之后，已燃烧的气体/固体颗粒56穿过次级颗粒分离装置78，一般地为一多管旋风式粉尘收集器，以去除气体中所残留的大部分颗粒80。这些颗粒80也由次级颗粒返回系统82返回到反应器罩壳32的下部36。清洁后的已燃烧的气体然后藉一风扇86经过用于预热进入空气的一个空气加热器84以便燃烧。冷却和清洁后的已燃烧的气体88被通到最后一个颗粒收集器89、如一静电式沉淀器或集尘室，然后经过一吸入式排风扇90和烟囱。
Alexander等人所揭示类形的现有IR-CFB具有一与冲击式初级颗粒分离器设置有关的单个炉出口40。在这些炉中，炉与出口40平面垂直的尺寸即炉深度D限定为近似等于次级冲击式颗粒分离器或U形束最大高度一半相等的值。如上所述指出的，U形束的最大高度是考虑到U形束中所允许的最大应力和颗粒收集效率而定的，这随着U形束长度增加而减少。由于受到实际的限制，炉深度因而限制为近似15英尺。对于大容量的IR-CFB炉而言(100-200MWe或更大)，这一炉深度限制产生一过大的炉纵横比(炉宽度除以炉深度的比例)。
另外，在这种已知的IR-CFB设计中，燃料一般都由多个进料器通过炉的前壁进料。石灰石或吸附剂与燃料一同进给或者通过前壁中的分开的注射点进料、有时通过后壁进料。固体颗粒同样从次级颗粒分离器经过后壁再循环，以促进下面炉中的混合并且增强局部载料中所挟带的固体颗粒，此炉通常在其下部是锥形的。第二个空气喷嘴也安装在炉的锥形部分的前壁和后壁上。
因而如果可以克服炉深度的限制问题，显然可以获得一改进的适用于较大蒸汽产生装置容量的IR-CFB反应器或燃烧器。
发明概述
本发明的一个中心目的在于提供一种CFB反应器或燃烧器，较佳地为一种改进的IR-CFB式反应器或燃烧器，其炉深度增加并且炉宽度减小，而形成一较紧凑(较佳的炉纵横比)和经济的设计。本发明通过在炉反应器罩壳的上部相对的前、后炉壁上提供多个炉出口(较佳地为两个)而实现这一目的。这种结构可有效地使炉出口横截面积的一给定单位宽度加倍，因而使炉的深度也加倍。构成炉出口处的冲击式初级颗粒分离器的U形束的高度限制因而保持在可允许的限度内。
因此，本发明一个方面涉及一循环式流化床反应器。一反应器罩壳局部由前、后壳壁构成，并且有一底部、上部和位于各个前、后壳壁上部出口处的一个出口。次级冲击式颗粒分离装置位于反应器罩壳上部内，在各个前、后壳壁两个出口处，用于收集在反应器罩壳内从下部流到上部的气体中所挟带的颗粒，使它们落向反应器的下部。还有连接到各个前、后壳壁上的两个出口处并且完全位于反应器罩壳中的各个初级冲击式颗粒分离装置的空腔装置，用于容纳从初级冲击式颗粒分离装置下落的颗粒。最后，还设置了连接到各个前、后壳壁上两个出口上并且完全位于反应器罩壳内的返回装置，用于使来自空腔装置的颗粒直接在内部返回到反应器罩壳，这样它们可以沿着壳壁无阻碍且不成流地自由下落到反应器底部以便接下来再循环。
构成本发明的多个新颖特征具体地描述在所附的权利要求书中并且构成本说明书的一部分。为了更好地理解本发明、以及使用时所获得的操作优点和特殊效果，以下参照附图对本发明的较佳实施例进行描述。
附图的简述
图1是现有的循环流化床(CFB)沸腾炉的示意图，具有内部和外部冲击式初级颗粒分离器和一非机械式的L形阀；
图2是授予Alexander等人的美国专利5,343,830中所揭示的另一种类形的CFB沸腾炉；
图3是本发明的一种改进的CFB反应器或燃烧器的示意侧向截面图；
图4是图3的示意侧视图；
图5-10示出了其它种结构，用于通过分离的中间烟道将来自炉内的已燃烧的气体/固体产送到一包括所有下游加热表面的单独的共用对流通道；其中：
图5是CFB反应器或燃烧器上部的示意截面图；
图6是沿图5中箭头6-6方向截得的截面图；
图7是图5中的局部剖视示意平面图；以及
图8-10都是沿图7中箭头8-8、9-9和10-10方向的局部剖视示意图，并且示出了已燃烧的气体/固体颗粒如何进入分离的中间燃烧通道和单独的共同对流通道的结构变化形式。
较佳实施例的详细描述
如本文中所采用，CFB燃烧器一词即指进行燃烧过程的一类的CFB反应器。而本发明具体地涉及沸腾炉或蒸汽产生装置，它们采用CFB燃烧器作为发热装置，应当理解本发明可以方便的应用于不同种类的CFB反应器中。例如，本发明可应用于除了进行燃烧过程之外还进行化学反应的反应器中，或者应用于在别处进行的燃烧过程所产生的气体/固体颗粒混合物提供到此反应器中以进一步处理，或者应用于反应器仅具有一罩壳，其中颗粒或固体颗粒为一种气体所挟带，而这种气体不一定是燃烧过程的副产品。
参见各图，其中几个图中相同或功能类似的部件也以相同的标号示出；具体地图3和4中示出了本发明改进的CFB的第一个实施例100。为简化起见，本发明与现有技术的CFB或IR-CFB燃烧器或反应器之间的基本差别是设置了多个炉出口40，较佳地为两个，位于炉反应器罩壳32的上部38处的相对前炉壁102和后炉壁104上。炉壳壁34一般都是由钢隔板相互隔开的管道以获得一气密性罩壳32。此结构可有效地使给定单位宽度的炉出口横截面积加倍，所以可使炉深度D加倍。反应器罩壳32的上部38中所提供的U形束60以及现在用于两个炉出口40的高度限制可保持在允许的设计限度内。实质上，CFB100本身现有基本上是沿穿过反应器罩壳32侧壁106的垂直中心线平面P对称的，CFB100的各半是相互成镜像的。如果需要，分隔壁表面108(一般是沸腾炉或蒸发表面)和/或翼壁表面110(一般为过热器或再加热表面，而且可以是沸腾炉或蒸发表面)可以设置在反应器罩壳32内以为正在采用的蒸汽涡轮循环提供必要的吸热效果。
由于这种结构具有两个相对炉出口40，所以燃料和石灰石是通过炉壳壁34的前壁102和后壁104提供的。来自次级颗粒分离器78(多管式旋风集尘器)的再循环固体80也经过前壁102和后壁104注射。为了在下部炉36中提供较好的混合效果，下部炉36本身分成两个风筒112、114，并且第二空气喷嘴115都安装在各风筒112、114的前、后部分中。对于那些需要石灰石较均匀分布以有效地俘获硫的燃料而言，石灰石喷射117可以从各风筒112、114的两侧(前和后)进行或者通过炉反应器罩壳32的底部进行。用于燃烧和流化的第初级空气44经过风箱46和安装在这些风筒112、114底部附近的分配板48输送。提供了一些设施以均衡向风筒112，114输入的燃料和空气。各个燃料进给器将燃料输送到两个风筒内，并且在第一和第二空气管道中提供调节板以与输入燃料成比例地输送燃烧空气。
已燃烧的气体体和固体颗粒56向上流过炉反应器罩壳32并且流出其上部38的两个相对炉出口40。在一个较佳实施例中，这些出口40依次各自与一对流通道116流体地连通以向位于其中的热交换器表面提供已燃烧的气体和固体颗粒56。各对流通道116较佳地包括第一部分118，位于其中的热交换器表面都布置成基本上垂直悬挂的管道排，称为悬挂式对流通道段118。各对流通道的第二部分、即下游部分120较佳地包括一个部分，其中热交换器表面都布置成基本上水平的管道排，称为水平对流通道段120。多种热交换器表面可以位于这些对流通道段中，包括布置成相对穿过其中的已燃烧的气体和固体不流56的多种组合和顺序的过加热器122、预加热器124和节约器126的表面。这些热交换器表面的具体排列取决于在炉出口40处的具体透平机周期、气体和固体颗粒质量流量和气体温度。某些情况下，一种给定类形的加热表面将完全布置成悬挂式对流通道118，或完全布置成水平对流通道120，或各段具有一部分加热表面的分段式。而改进的CFB反应器100的镜像对称可以扩展到各对流通道116的所有加热表面结构，即各对流通道116将相对已燃烧的气体和固体颗粒56的流动以相同顺序具有相同类形和布置的加热表面，但对此没有要求。有可能一些装置的定位可能是例如，将过加热器表面122设置在一个对流通道116中，预加热器表面124位于其它的对流通道116中，或者是各对流通道116中的各种加热表面的具体物理结构可以不完全相同。
在各对流通道段116中，在加热表面最下排的下游，将设置两组次级颗粒分离装置78，其各自最好包括一多管旋风式集尘器以收集和再循环来自各对流通道116的已燃烧的气体56中的最后几分之一的有用固体颗粒80，以将其返回到反应器罩壳32的下部36。
另外，两个燃烧室出口40可以连接到分离的中间燃料通道，其中不具有加热表面，它们最后混合到含有所有下游加热表面的一单个的共同对流通道中。在此情况下，在共用对流通道的最下排加热表面的下游，可设置一单个的次级颗粒分离装置，最好包括一多管式风式集尘器以收集和再循环来自共同对流通道中的已燃烧的气体中的最后几分之一的有用固体颗粒以将其返回到反应器罩壳32的下部36。
图5-10示出了上述结构的多种变化形式。图5是CFB反应器或燃烧器30上部38的示意剖视图；图6是沿图5中箭头6-6方向的剖视图；图7是图5的局部剖视平面示意图。当已燃烧的气体/固体颗粒56穿过各前壁和后壁上冲击件60之后，它们进入到与分离的中间烟道130流动连通的烟道部分128。各分开的中间烟道130被结合到含有所有下游加热表面、如过加热器122、预加热器124和节约器126的单个共同对流通道132中。
图8、9和10分别都是沿图7中箭头8-8、9-9和10-10方向的局部剖视图，示出了已燃烧的气体/固体颗粒56如何以其方式从烟道部分128出来进入分开的中间烟道130和单个共用对流通道132的多种结构变化。在图8中，已燃烧的气体/固体颗粒56沿箭头134方向以与图5很类似的方式向上退出，并且示出了一种结构，其中非冷却板136包括烟道部分128的侧部。最后，图10示出了已燃烧的气体/固体颗粒56经过一侧烟道部分128而出来的结构。在图10中，任一侧也都可以是非冷却板136或流体冷却表面128。
虽然，已经示出了本发明的具体实施例并对其作了详细描述以说明本发明原理的应用，但对于本技术领域中的普通技术人员而言，只要不脱离这些原理在本发明所附权利要求书中的范围中还可作出多种变化。例如，本发明可以应用于一种涉及循环流化床反应器或燃烧器的新结构。这是一种特别有用的低污染替换方式，以替换现有的粉碎煤料或其它矿物燃料蒸汽发生装置，但要提供一最小的沸腾炉“接地面积(footprint)”或“沸腾炉间”面积，还必须提供相当大的蒸汽发生容量。在名为“用CFB沸腾炉给乌克兰发电厂重新匹配动力”的技术论文中提出了采用本发明的这种应用实例(作者为本发明的共同发明人的F.Belin，以及J.Yu.Shang、M.M.Levin和A.Yu.Maystrenko，刊登在1995年12月5-7加利福利亚Anaheim的PowerGen Americas′95 Conference上)。因此读者可参阅这篇论文，申请人的意图在于将该论文的完整材料引入本说明书，本文参考了此材料，该材料在本案的美国分案申请的档案中有记录。在本发明一些实施例中，不采用其它特征将使本发明的某些特征更有益。因此，所有这些变化和实施例都应当落于所附权利要求书的范围。

Claims (10)

1.一种循环式的流化床反应器，包括：
局部由前罩壳壁和后罩壳壁构成的一反应器罩壳，并且具有下部、上部和位于各前、后罩壳壁上部一个出口处的出口孔；
位于反应器罩壳上部内、在各前、后壁两个出口孔处的初级冲击式颗粒分离装置，以收集在反应器罩壳中从下部流入上部的气体流中所含的颗粒，而使它们落向底部；
空腔装置，连接到位于各前、后壁的两个出口孔处并且完全位于反应器罩壳内的各个初级冲击式颗粒分离装置上，用来当所收集的颗粒从初级冲击式颗粒分离装置下落时收容这些颗粒；以及
返回装置，连接到位于各前、后壁的两个出口孔处并且完全位于反应器罩壳内的各个初级冲击式颗粒空腔装置上，用来将来自空腔装置的颗粒直接且在内部返回到反应器罩壳内，这样它们可沿着罩壳壁无阻碍地且不成流地下落到反应器罩壳底部以便接下来再循环。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，还包括用来将燃料和吸附剂输送到反应器罩壳下部的装置。
3.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，还包括连接到反应器罩壳下部的一风箱。
4.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，初级冲击式颗粒分离器包括成排的凹形冲击件，它们为U形、E形、W形或其它类似的下凹形状。
5.如权利要求4所述的反应器，其特征在于，凹形冲击件排都布置成两组，一个上游组和一下游组，各组具有至少两排凹形冲击件。
6.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，CFB反应器基本上是以穿过构成反应器罩壳壳壁的侧壁的垂直中心线平面P对称的。
7.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，还包括位于反应器罩壳内的分壁加热表面和翼壁加热表面。
8.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，还包括流体连通到各前、后壁上的各炉出口上的对流通道，以为位于其中的热交换器表面提供已燃烧的气体和所挟带的颗粒。
9.如权利要求8所述的反应器，其特征在于，位于对流通道中的热交换器表面包括过加热器、预加热器和节约器表面。
10.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，还包括分开的中间燃料通道，其中不具有加热表面，它们在其各自的入口处流动地连通到前、后壁上的炉出口处，各分开的中间烟道的出口都结合起来通到含有下游加热表面的单个共用对流通道上。
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