CN1256962A - 带有铺底板的内部主微粒分离器的循环流化床反应器 - Google Patents

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Abstract

一种CFB反应器或燃烧器具有一撞击型主微粒分离器,用来从废气/固体流里收集固体微粒并将收集的微粒沿一倾斜的或基本水平的平面底板返回到反应器后燃烧器的底部,以便继续再循环。

Description

带有铺底板的内部主微粒分离器的循环流化床反应器
本发明一般涉及具有撞击型微粒分离器的循环流化床(CFB)反应器或燃烧器，特别涉及一种具有改进的撞击型主微粒分离器的CFB反应器或燃烧器。不再在补充撞击型主微粒分离器的收集部件的下面设置具有卸料孔的空腔或漏斗，而是提供一简单的底板，以便将所有收集的微粒从内部返回到反应器或燃烧器的底部，进行再循环。
在CFB反应器或燃烧器里，反应的或未反应的固体通过向上流动的气流进入反应器壳体里，且该气流夹带着该固体到反应器壳体上部的一个出口。在那里，通过一撞击型主微粒分离器收集该固体，并直接地或通过一条或几条导管让它们返回到反应器壳体的底部。在反应器壳体出口处的撞击型主微粒分离器通常收集循环的固体的90％至97％。如果工作需要，可在撞击型主微粒分离器的下游再建立一个固体收集器，以便收集另外的固体供最终返回到反应器壳体里。
如授予亚历山大等人的美国专利第5,343,830号所述的，在CFB反应器或燃烧器里使用撞击型微粒分离器是众所周知的。在描述CFB反应器和燃烧器的一般操作所需要的范围内，读者可参考授予亚历山大等人的美国专利第5,343,830号，其内容也在这里被参考引用。在最早的CFB结构之一里，一具有许多交错布置的冲击件的撞击型主微粒分离器与非机械的L阀及一副微粒分离器(多管式旋流除尘器)一起使用。成排的、交错布置的冲击件将它们收集的所有固体卸入在它们下面的储存漏斗，然后通过L阀将收集的固体返回到反应器壳体的底部。
后来的CFB结构还另外使用几排交错布置的冲击件，它们位于与储存漏斗及其L阀有关的冲击件的上游(相对于通过该装置的废气和固体流的方向)。如授予贝林等人的美国专利第4,992,085号(其内容在这里被参考引用)所述的，有至少两排的、交错的冲击件位于反应器壳体的上部。这些冲击件垂直横跨反应器出口的宽度悬置和延伸，而被收集的固体沿着CFB反应器或燃烧器的壳体后壁无阻挡地并且不通过任何管道地落入这些收集用的冲击件的下面。这些常被叫做“炉内”收集用冲击件或“炉内U形梁”的一个重要部分是靠近这些冲击件下端的挡板，它可提高它们的收集效率。
如上述的亚历山大等人的美国专利所述，已知在CFB反应器或燃烧器里，位于炉内或反应器壳体内的两排或几排冲击件后面还有第二组交错布置的冲击件，它们进一步从气流里分离微粒，并通过空腔装置和微粒返回装置而不是外部的和内部的再循环管道让它们返回。
很显然，具有更简单结构的CFB反应器或燃烧器将使成本更低并受到工业部门的欢迎。
本发明总的涉及循环流化床(CFB)反应器或燃烧器领域，并提供一种更简单和成本更低的撞击型主微粒分离器。具体地说，它不再提供空腔装置或漏斗，这种空腔装置或漏斗带有在补充撞击型主微粒分离器的收集部件下面的卸料孔，而是提供一简单的底部，以便从内部将所有收集的固体返回到反应器号燃烧器的底部，进行再循环。
在一种最简单的形式里，本发明包括两排或几排交错布置的撞击型微粒分离器，它们的下部延伸至或靠近一简单的、基本平面的底板。该底板可向着反应器壳体倾斜，或向着废气/固体流体通过CFB的方向的下游倾斜，或向两个方向倾斜，甚至可是水平的。该撞击型微粒分离器以已知的方式工作，从通过在撞击型微粒分离器里的管道或烟道的废气/固体里收集固体并将它们引导至下部。然后，通过下述方式之一并利用重力从烟道里卸下这些收集的固体。
如果底板相对于水平面倾斜一个角度，如向着CFB反应器的壳体倾斜，分离的固体微粒将滑落到底板上并沿着反应器壳体的后壁落入反应器壳体。如果底板相对废气/固体通过管道或烟道的方向向下游向下倾斜，分离的固体微粒将沿着废气/固体流的方向沿底板下滑，从而可收集在一下游空腔、漏斗或卸槽里，以便收集和最终返回到反应器壳体的底部。在一些例子里，底板上可设置一锥顶，以便有助于固体微粒同时向着反应器壳体和下游方向下滑。在任何情况下，将选择底板的倾斜角α，使其等于或大于该分离的固体的静止角αR。
然而，即使底板是水平的，本发明的原理也是有用的。通过微粒分离器收集的固体将在该水平底板上形成一堆，直至该堆的斜度达到分离的固体的静止角αR，从而使固体开始沿着该堆下滑，或向着反应器壳体，或向着废气/固体流方向。沿着底板向着反应器壳体下滑的微粒直接返回，以便继续再循环，而沿着底板向着废气/固体流的方向下滑的微粒将被收集在空腔、漏斗或卸槽里，以便收集后最终返回到反应器壳体里。
在收集的固体微粒向反应器壳体下滑的情况下，可利用一废气/固体导流装置来增加沿底板下滑并沿着壳体后壁进入反应器壳体的、被收集的固体微粒的比值。在收集的固体微粒沿废气/固体流的方向流动的情况下，可利用或不利用导流装置来增加沿底板滑至下游的空腔、漏斗或卸槽里的分离的固体微粒的流动。
按照本发明的、铺底板的、内部撞击型主微粒分离器可使用或不使用在上游的炉内U形梁。
按照本发明的一个方面是提供一种改进的CFB反应器或燃烧器，它们具有撞击型微粒分离器，以便从流动通过CFB反应器的反应器壳体的废气/固体流里分离出固体微粒，它包括：一反应器壳体，它具有一出口；一组至少两排的、交错布置的撞击型微粒分离器，它们相对废气/固体流动方向位于出口的上游；第二组至少两排的、交错布置的撞击型微粒分离器，它们出口的下游；以及一设置在第二组微粒分离器下面的底板。
按照本发明的另一方面是提供一种改进的CFB反应器或燃烧器，它具有撞击型微粒分离器，以便从流动通过CFB反应器的反应器壳体的废气/固体流里分离出固体微粒，它包括：一反应器壳体，它具有一出口；一组至少两排的、交错布置的撞击型微粒分离器，它们相对废气/固体流动方向位于出口的下游；以及一设置在该组微粒分离器下面的底板。
按照本发明的还有一方面是提供一种改进的CFB反应器或燃烧器，它们具有撞击型微粒分离器，以便从流动通过CFB反应器的反应器壳体的废气/固体流里分离出固体微粒，它包括：一反应器壳体，它具有一出口；至少两排交错布置的撞击型微粒分离器，它们相对废气/固体流动方向至少有一排位于出口的上游，且至少有一排位于出口的下游；以及一设置在至少一排位于出口下游的微粒分离器下面的底板。
表示本发明新颖性的许多特征将在附属于本说明书并作为说明书一部分的权利要求书里描述。为了能较好地理解本发明、它的工作优点及通过使用获得的具体效果，请参看描述本发明较佳实施例的附图和说明性的内容。
图1是按照本发明第一实施例的一循环流化床(CFB)反应器或燃烧器的一部分的示意的剖视的侧视图；
图2是沿图1中的箭头2-2所示方向的示意的剖视的平面图；
图3是按照本发明第二实施例的CFB反应器或燃烧器的一部分的示意的剖视的侧视图；
图4是按照本发明第三实施例的CFB反应器或燃烧器的一部分的示意的剖视的侧视图；
图5是按照本发明第四实施例的CFB反应器或燃烧器的一部分的示意的剖视的侧视图；
图5A是按照本发明第五实施例的CFB反应器或燃烧器的一部分的示意的剖视的侧视图；
图6是气体/固体导流装置第一实施例的示意的剖视的侧视图，它可安装在CFB反应器或燃烧器里的交错撞击型微粒分离器的下端；
图7是沿图6中的箭头7-7方向的示意的剖视的平面图，为清楚起见，省略了U形梁140；
图8是气体/固体导流装置第二实施例的示意的剖视的侧视图，它可安装在CFB反应器或燃烧器里的交错撞击型微粒分离器的下端；以及
图9沿图8中的箭头9-9方向的示意的剖视的平面图。
这里所使用的术语“CFB燃烧器”涉及到会发生燃烧过程的CFB反应器。尽管本发明特别涉及利用CFB燃烧器作为产热装置的锅炉或蒸汽发生器，但应该知道，本发明还可非常方便地用于不同类型的CFB反应器。例如，本发明还可用于一种在化学反应中而不是燃烧过程中使用的反应器，或将来自其它地方的燃烧过程发生的气体/固体混合物提供给反应器作进一步处理，或反应器仅提供一壳体，其中，夹入气体的微粒或固体不一定是燃烧过程的副产品。
现在参看附图，其中所有附图中相同的标号表示相同的或功能类似的零件，图1和2显示了用标号10表示的循环流化床(CFB)反应器或燃烧器，它包括一反应器壳体20，而该壳体20具有一上部30、一出口40和一对流通道50。CFB反应器壳体的前面被定义为图1和2的左侧；而后面被定义为这些图的右侧，CFB反应器20的宽度方向垂直于图1所在平面。反应器壳体20的横截面通常是矩形并由壳体壁100限定。壳体壁通常用液体冷却，且包括用钢板隔开的水和/或蒸汽传输管，从而获得气密的反应器壳体20。发生在反应器壳体20下部的、由CFB燃烧过程产生的废气/固体混合物110向上通过上部30，最终通过出口40进入对流通道50。当废气/固体混合物110沿该路径运动时，如下面将要介绍的，在它进入大气环境前，它将经过若干除去固体微粒和热量的阶段。
在反应器壳体20的上部30、沿着废气/固体流10的方向和出口40的上游安装着交错的、撞击型微粒分离器140中的第一组130(一排或几排，较佳的是两排)。微粒分离器140是非平面的，它们可是U形、E形、W形或其它任何形状，它们面向进入的废气/固体110的表面呈杯形或凹形结构。如前面所述的，由于由于撞击型微粒分离器的第一组130在出口40的上游，因此第一组130也可叫做炉内U形梁130。为了方便起见，交错的撞击型微粒分离器140将被叫做U形梁140。U形梁140互相交错，这样，当废气/固体流110经过它们时能引导固体微粒撞击它们，并被收集在它们的杯形或凹形部分里，然后使由第一组130收集的微粒(用标号150表示，与具体是由那个分离器140收集无关)沿着U形梁自由地向内和向下落向反应器壳体20的底部。U形梁140还横跨出口40延伸。由于高温环境，U形梁通常用不锈钢制造。
在出口40的下游安装着交错的撞击型微粒分离器或U形梁140的第二组160(也叫做主要的撞击型微粒分离器160)。位于出口40下游的、在第二组160里的、由至少两排(较佳的是四排)交错的撞击型微粒分离器组成的U形梁140也从废气/固体流110中收集微粒150。然而，与已知的布置相比较，形成第二组160的U形梁140的下端170延伸进入在它们下面的空腔，该空腔被用来临时收集固体和将收集的固体返回到反应器壳体20，按照本发明的CFB反应器10仅设有底板180，它没有供微粒落下的间隙或小孔。
如图3所示，可使用按照本发明的内部铺底板的、撞击型的、主要的微粒分离器160而不要上游组的炉内U形梁130，但较佳的是使用炉内U形梁130以提高收集固体微粒150的效率。同样地，由于需要至少两排交错的撞击型微粒分离器或U形梁140，该至少两排可位于出口40的下游，或至少一排位于出口40的上游，而至少另一排位于出口40的下游。
底板180可是或较佳的是倾斜的，这样，收集的固体微粒150可沿着底板180滑向反应器壳体20。然而，底板180也可如图4所示那样基本是水平的，或可是倾斜的，使收集的固体微粒150沿着废气/固体流110的方向在底板180上滑动，从而可收集在如图5所示的下游空腔、漏斗或槽190里以便最终返回到反应器壳体的底部。如果需要，底部180上还可设置一锥顶182，这样，它不仅具有倾斜的第一部分184，以便使收集的固体微粒150沿着底部180滑向反应器壳体20，而且还具有倾斜的第二部分186，以便沿着废气/固体流110的方向在底板180上滑动，从而可收集在如图5A所示的下游空腔、漏斗或槽190里，最终返回到反应器壳体的底部。不管怎样，在底板180倾斜的情况下，通常要选择底板180的倾斜角α，使其等于或大于分离的固体的静止角αR。底板180在结构上较佳的是平面，但如果它是倾斜的，可在其上设置若干沟槽或凹槽，以便收集的固体微粒150可沿着它们流动或滑动。
本发明的铺底板的、撞击型的微粒分离器的构思即使在底板180是水平的或基本水平的〔图4〕情况下也是有用的。由第二组微粒分离器160收集的微粒150将在该水平底板180上逐步增加而堆成一堆，直至该堆的坡度达到该分离的固体150的静止角αR，此时，固体150将开始沿该堆下滑，或滑向反应器壳体20，或沿着废气/固体流110的方向滑动。沿着底板180滑动而返回到反应器壳体20里的微粒150直接被用于然后的再循环，而沿着废气/固体流110的方向在底板180上滑动的微粒150将被收集在下游空腔、漏斗或卸槽190里，以便最终返回到反应器壳体20的底部。
在收集的固体微粒150沿底板180流向反应器壳体20的情况下，一废气/固体导流装置可用来增加沿底板180向下滑动并沿壳体后壁200进入反应器壳体20的被收集的固体微粒的比值。在收集的固体微粒150沿废气/固体流110的方向流动的情况下，导流装置可以或不必用来增加分离的固体微粒150沿底板180向下游空腔、漏斗或卸槽190的流动。
参看图6和7，用标号250表示的废气/固体导流装置的一个实施例包括一在其上部具有凸缘270的平板260，以及用来将该平板260固定在反应器壳体20后壁200上的支架290。该废气/固体导流装置较佳的是位于靠近底板180和壳体后壁200相交处的一个位置上。
参看图8和9，废气/固体导流装置的另一个实施例仅使用诸如通过焊接固定在炉内U形梁140和包括第二组微粒分离器160的U形梁140的下端上的板300和310。如图所示，可在第一炉内U形梁140的前侧设置一连续的板300，而在此后的U形梁140的后侧使用单独的板310。
形成第二组160的U形梁140较佳的是具有与包括第一组130的U形梁140相同的结构，且较佳的是延伸至底板180，但必须考虑到这样的情况，即当CFB反应器里的工作温度增加时，U形梁140可能向下延伸或“生长”。因此，在包括第二组160的U形梁140的下端170和底板180之间提供间隙是防止在工作过程中接触的一个途径。然而，如果逼近是需要的或可接受的，必须在提供适当的间隙和较多的间隙之间取得平衡，因为收集的固体微粒150可能通过U形梁140的下端170，从而不返回到反应器壳体20里进行再循环。此外，可对U形梁140进行冷却，以便将在工作过程中的这种热膨胀降到最低程度或进行控制，例如(但不限于)使用授予詹姆斯等人的美国专利第5,809,940号所述的间接冷却方法，或通过例如(但不限于)授予多姆等人的美国专利第5,378,253号和第5,435,820号所述的提供冷却U形梁140的结构。此外，可使用底板180或顶部210的结构，它固定U形梁140的一端而允许另一端滑动配合，或允许两端移动，或者如果确定接触是无可非议的，可使用与U形梁140接触的和/或U形梁140实际上埋设在其中的底板180。
一些形成反应器壳体20后壁200的反应器壳体管子100向上延伸至对流通道50的顶部210，从而在出口40处形成在现有技术中叫做“屏幕”的东西。形成这种屏幕的液体冷却管子通常横向间隔，形成让废气/固体110流动通过的气体通道(未显示)。底板180通常被冷却，因此它可由液体冷却的管子100或其它的液体冷却管子形成。
再参看图1和2，沿着废气/固体流110继续流动通过对流通道50的方向，可设置包括加热表面、诸如过热器、再热器、蒸发器(水/蒸汽)或省热器表面的管子排220和230。流动经过这些管子排220和230的废气/固体流110将自己的一部分热量传给在管子排220和230的管子里的工作流体，以获得与CFB反应器或燃烧器10有关的任何汽轮机或其它工作(未显示)所需要的热动力。当经过管子排220和230后，可将废气/固体流110提供给再下游的加热表面(未画出)和其它微粒收集装置(也未画出)。
本发明将减少或消除因夹带的固体通过在主撞击型微粒分离器160下面的卸料漏斗或空腔引起的气体旁通产生的低效率。这意味着可增加该组160的U形梁140的排数，通常可使用4或5排以上，以提高微粒收集效率。
此外，可使用图4、5和5A所示的结构，以便在工作过程中卸下收集的固体150或通过外部导管(未画出)将收集的固体返回到反应器壳体20里或可能送到外部装置、诸如一外部流化床热交换器(也未画出)。
虽然详细显示和描述了本发明的一个具体实施例，以说明本发明的原理，但应该明白，在不超出该原理的情况下还可用另外方式实施本发明。例如，本发明可应用于包括CFB反应器或燃烧器的新结构，或用于现有的CFB反应器或燃烧器的整修、替换或改进。在本发明的一些实施例里，本发明的某些特征可在不相应使用其它特征的情况下有益地使用。因此，所有这些变化的实施例均落入后面要求保护的范围和等同物里。

Claims (20)

1.一种CFB反应器或燃烧器，它具有撞击型微粒分离器，以便从流动通过CFB反应器的反应器壳体的废气/固体流里分离出固体微粒，它包括：
一反应器壳体，它具有一出口；
一组至少两排的、交错布置的撞击型微粒分离器，它们相对废气/固体流动方向位于出口的上游；
第二组至少两排的、交错布置的撞击型微粒分离器，它们出口的下游；以及
一设置在第二组微粒分离器下面的底板。
2.如权利要求1所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，底板相对水平面倾斜一个角度，且向着CFB反应器的壳体倾斜，使被第二组微粒分离器收集的固体微粒沿着底板滑向反应器壳体。
3.如权利要求1所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，底板相对水平面倾斜一个角度，且该底板相对废气/固体流通过反应器壳体的方向向下游方向倾斜，从而使由第二组微粒分离器收集的固体微粒将沿着废气/固体流的方向沿着底板向下游方向下滑。
4.如权利要求3所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，还包括一接纳沿着底板向下游方向下滑的被收集的固体的装置。
5.如权利要求4所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，用来接纳被收集的固体微粒的装置包括空腔、漏斗和卸槽中的一个。
6.如权利要求1所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，底板基本上是水平的。
7.如权利要求1所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，底板基本上是一平面。
8.如权利要求1所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，底板相对水平面倾斜一个角度α。
9.如权利要求8所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，底板的倾斜角α等于或大于被收集的固体微粒的静止角αR。
10.如权利要求7所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，底板上设有若干沟槽和凹槽，被收集的固体微粒可沿着它们流动或滑动。
11.如权利要求1所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，还包括一对流通道和位于其中的传热表面。
12.如权利要求11所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，该传热表面包括过热器表面、再热器表面、蒸发器表面和省热器表面中的至少一个。
13.如权利要求1所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，该撞击型微粒分离器包括U形梁。
14.如权利要求1所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，该撞击型微粒分离器包括非平面的部件，它们是U形的、E形的、W形的或其它面对废气/固体流流动方向具有杯形的或凹形的形状。
15.如权利要求8所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，还包括与微粒分离器有关的废气/固体导流装置，以减少被收集的固体微粒的重新进入。
16.如权利要求15所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，废气/固体导流装置包括一平板，其具有在其上部的一凸缘，一基本平面的、沿该平板延伸的挡板，以及一将该平板固定在反应器壳体上、靠近反应器后壁与底板交界处的支架。
17.如权利要求15所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，废气/固体导流装置包括一固定在撞击型微粒分离器下端的平板。
18.如权利要求1所述的CFB反应器或燃烧器，其特征在于，底板上设置一锥顶，从而在底板上形成一相对水平面倾斜一个角度的第一部分，第一部分向反应器壳体倾斜，使被第二组微粒分离器收集的固体微粒沿着底板的第一部分向反应器壳体滑下；并在底板上形成一相对水平面倾斜一个角度的第二部分，第二部分相对通过反应器壳体的废气/固体流的方向的下游倾斜，使被第二组微粒分离器收集的固体微粒沿着底板的第二部分向下游滑下。
19.一种CFB反应器或燃烧器，它具有撞击型微粒分离器，以便从流动通过CFB反应器的反应器壳体的废气/固体流里分离出固体微粒，它包括：
一反应器壳体，它具有一出口；
一组至少两排的、交错布置的撞击型微粒分离器，它们相对废气/固体流动方向位于出口的下游；以及
一设置在该组微粒分离器下面的底板。
20.一种CFB反应器或燃烧器，它具有撞击型微粒分离器，以便从流动通过CFB反应器的反应器壳体的废气/固体流里分离出固体微粒，它包括：
一反应器壳体，它具有一出口；
至少两排交错布置的撞击型微粒分离器，它们相对废气/固体流动方向至少有一排位于出口的上游，且至少有一排位于出口的下游；以及
一设置在至少一排位于出口下游的微粒分离器下面的底板。
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