CN1908514A - 循环的流化床反应器 - Google Patents

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Abstract

循环的流化床反应器，特别用于燃料的燃烧，包括：一燃烧室(2)，它具有一在其中流化的固体颗粒材料的床身和一与之连接的固体物质冷却器(3)，用以冷却从燃烧室(2)的下部排出的灰或固体物质(13)，冷却器(3)包括：至少一个涡流室(4、5、6)用于使待冷却的固体物质以一水平流动通过，其中，第一涡流室(4、5、6)具有一下部(10)和一位于冷却器流化床(35)上方的并与相应的涡流室(4、5、6)在气体侧和固体物质侧连通的自由空间(11)；用于将流化气体(12)输入每一下部(10)的装置，以便在所述涡流室(4、5、6)中流化颗粒材料；至少一个排出口(14)，用以将流化气体(12)从自由空间(11)中排入燃烧室(2)的下部区域；至少一个进入口(15)，它将第一涡流室(4)与燃烧室(2)的下部连接，用于将灰(13)从流化床燃烧炉的底部附近导入冷却器(3)中；以及至少一个排出口(16)，它与最后的涡流室(4、5、6)连接，用于将固体物质(13)从冷却器(3)中排走；其中，在冷却器(3)的自由空间(11)内设置至少一个分离器(30)，用于从向排出口(14)方向流动的并含有固体物质颗粒(13)的流化气体(12)中分离固体物质颗粒(13)并且使分离出的固体物质(13)返回到涡流室(4、5、6)中。

Description

循环的流化床反应器
技术领域
本发明涉及一种循环的流化床反应器，特别用于燃料的燃烧，以及涉及一种用于操作循环的流化床反应器的方法。
背景技术
这样的流化床反应器特别应用于能源技术或发电厂技术。其中，在反应器室或燃烧室的流化床中燃烧煤或其他的可燃材料，例如废料或生物物质。为了分离和冷却在燃料燃烧过程中产生的灰或固体物质，燃烧室的下部区域与一灰冷却器或固体物质冷却器连接。作为固体物质冷却器，已知机械的冷却器如蛇形冷却管、冷却振动流槽等，以及具有固定不动的流化床的冷却器如流化床冷却器、灰筛分机、分离冷却器等。
这样的流化床冷却器或固体物质冷却器，为了冷却循环的流化床反应器的剩余的灰，可以直接安装在流化床反应器的下部区域或者与其分离地单独设置并用相应的管道与燃烧室连接。将待排出的灰在燃烧室的下部通过一设有闭锁机构或调节机构的排出口并经由一输入管道供给固体物质冷却器。在构造有一个或多个室并且各室从下部为达到一流化床而用流化气体加载的固体物质冷却器中，使流动性的材料或流动性的灰从入口侧以一水平流动通过所述一个或多个室、向对置于入口侧的出口侧运动并在那里流出和排走。固体物质的冷却一方面借助于流化气体直接地进行而另一方面借助于浸入固体物质流化床中的并引导冷却剂例如水的管束式热交换器间接地实现，亦即在固体物质与两冷却剂之间发生直接的和间接的热交换，两冷却剂分别分开地供给以及排走。导过固体物质流化床的流化气体在流化床的上方在冷却器的一个自由空间内排出并从那里经由返回管道回到流化床反应器的燃烧室中。
在上述包括流化床冷却器或固体物质冷却器的流化床反应器的操作中，已表明，需要有足够高的约1m/s的流化速度，以便将粗的固体物质颗粒保持悬浮状态。否则就会形成粗固体物质沉积物，这可能导致整个固体物质冷却器的阻塞。这个必需的高的流化速度却又使待冷却的固体物质的细小成分不利地通过流化气体随带或吹走并且导致细料在冷却器流化床中变得稀少。由于缺乏细料而造成不利作用地降低冷却器内的热交换。结果是使冷却器变得较大，其具有较多的热交换器受热面和对流化介质更高的需求。由此又造成对流化气体进行吹送的动力消耗提高，这就降低了设备效率。因为通过流化气体流随带的细料又返回流化床燃烧室中并在较短时间以后重新进入固体物质冷却器，所以，由细料不利地使固体物质冷却器被过多装载并且细料在实际被排出之前受重复冷却。由于过多装载，对于有多个冷却室的冷却器，存在这样的危险，即，固体物质流量的一部分在冷却室的旁路流走并因此不利地降低冷却效能，因为固体物质流的停留时间不再足够。
由文献EP 0 801 592 B1已知同一种的流化床反应器，该已知的流化床反应器具有包括三个室的流化床冷却器，它直接地亦即没有管道或通道并只用连接口与反应器的燃烧室连接并且它被从燃烧室排出的固体物质颗粒水平地流过。供给流化气体的三个室中的每一个都设有用于冷却排出的固体物质的管束式热交换器。
由文献DE OS 19 09 039已知一种包括多个室的流化床冷却器，在该情况下为六个室，它们分别由挡壁分开并且从下部加给流化气体以便在各室内产生一流化床。流动性的物质在冷却器的一侧加入，借助于流化床水平地流过冷却器，亦即所述流动性的物质或固体物质循环地和连续地越过各个挡壁并按这种方式从第一个室一直达到最后一个室，以便最后在冷却器的对置于入口的那侧流出。在这种情况下，冷却一方面直接借助于从下部供给的并流过固体物质的流化气体自行地实现而另一方面间接借助于浸入流化床中的管束来实现，该管束将冷却剂以间接的热交换导过固体物质流化床。用于直接和间接冷却的介质分别分开地输入以及排走。
发明内容
因此本发明的目的是，提供一种循环的流化床反应器，其中避免上述的缺点或虽然存在较粗的固体物质颗粒但借助于流化气体尽可能少地使细料在燃烧室中再循环或者防止细料在燃烧室中再循环。此外本发明的目的是，指明一种用以操作这种循环的流化床反应器的方法。
上述目的关于循环的流化床反应器通过权利要求1表明的特征来达到，而关于方法则通过权利要求11的特征来达到。
由诸从属权利要求得知本发明的各有利的实施形式。
通过本发明的方案，提供了一种循环的流化床反应器以及一种用以操作循环的流化床反应器的方法，它们具有下列优点：
-改进了固体物质冷却器的效率；
-虽然提高了固体物质冷却器中的流化速度，但也能够借助于固体物质冷却器从流化床反应器的燃烧室中排出很细的灰粒；
-在包括多个室的固体物质冷却器中，防止热的亦即绝大部分未冷却的固体物质的旁路通行；
-较紧凑的结构高度，因为可以降低在固体物质冷却器的流化床之上的自由空间高度(Freeboard)；
-在现有的固体物质冷却器中事后安装分离器是可能的；
-成本是很低的。
本发明的一种有利的实施形式规定，将分离器构成为收集槽分离器，它主要包括一个或多个U形或V形或W形的型材或单面敞开的梯形型材并且其型材口基本上逆着流化气体流定向。通过使用这种敞开的盒式型材，可以利用成本很低以及很有效的分离器方案。
在本发明的特别有利的设计中，分离器设有至少一排收集槽分离器，其中并列和彼此间隔开地设置每一排的收集槽分离器并且各排收集槽分离器基本上垂直于流化气体流并在存在多个排时沿流化气体流的方向接连地设置。在这方面一种合乎目的的设计还规定，一个排的各收集槽分离器沿流化气体流的流动方向分别位错于一个位于上游和/或下游的排的各收集槽分离器设置。通过这些措施优化了细料从流化气体流中的分离。
收集槽分离器的长度宜至少为自由空间高度HF的0.4倍和/或收集槽分离器或敞开的盒式型材宜相对于垂直线设置在+/-60°的角度α内。通过这些结构措施可以对分离器的作用方式产生有利的影响。
分离器可以有利地按下述方式设计，即，通过例如改变定位角β(垂直线与分离器侧廓之间的角度)或者侧向移动各收集槽分离器或包括收集槽分离器的各排或者垂直移动分离器，在操作过程中改变或调整分离效能。
本发明的一种有利的实施形式规定，流化气体在各室内的垂直的流化速度在0.2m/s与1.8m/s之间而流化气体在自由空间内的水平的速度在1m/s与5m/s之间。通过该措施，最佳地使得本身较粗的固体物质颗粒在流化床中可以保持悬浮状态，由此可以被冷却和排出，同时细的固体物质颗粒通过分离器从流化气体流中分离并可以被送回流化床。
附图说明
以下借助附图及其描述更详细地说明本发明的实施例。其中：
图1包括固体物质冷却器的循环的流化床反应器的示意示出的纵剖面图；
图2包括三个室的固体物质冷却器的示意示出的纵剖面图；
图3固体物质冷却器的细部纵剖面图，其中以两排U形型材的形式示意示出分离器；
图4示意示出按图3中剖面A-A旋转90°的剖面的固体物质冷却器的分离器的细部横剖面图；
图5如图3，但分离器的各排U形型材配备有一转动机构，各U形型材处于垂直位置；
图6如图5，但包括已绕一转轴转动的各排U形型材；
图7如图3，但分离器的各排U形型材配备一垂直的移动机构，各U形型材未垂直移动；
图8如图7，但包括已垂直移动的各排U形型材；
图9如图4，但分离器的各排U形型材配备一水平的移动机构，各排U形型材彼此位错；
图10如图9，但包括已水平移动的各排U形型材，各U形型材前后对齐；
图11如图4，但各排U形型材同心于一排出口设置。
具体实施方式
图1示意示出一循环的流化床反应器1，它具有一反应器室或燃烧室2，其中在流化床中燃烧固体的块状燃料，例如煤、废料、生物物质等，以及具有一与燃烧室2连接的流化床冷却器或固体物质冷却器3。燃烧时产生的灰13绝大部分聚积在燃烧室2的底部上并且剩余部分的灰从燃烧室2中流出并经由流化床冷却器3排走。灰18经由一冷却器装填管道18流出燃烧室2，该装填管道将燃烧室2经由一固体物质进入口15连接于冷却器3。在燃烧室2的出口上设置一灰调节配件17，用以调节流出到冷却器3中的固体物质流量13。
为了冷却灰或固体物质13，流化床冷却器3设有一个或多个涡流室4、5、6，其中图2示例性示出包括三个涡流室4、5、6的冷却器3。为了冷却固体物质13和为了在室4、5、6内产生一流化床35，通过从下部经由一流化底部20喷入和分配流化气体12而将流化气体12，在大多情况下为空气，输入冷却器3的下部10。流化气体12的均匀分配通常经由各流化喷嘴21来实现，并且它们还可以阻止固体物质13进入在流化气体底部20下方的气体或空气室22。
通过进入口15流入冷却器3中的固体物质13进入到第一涡流室4，在那里与已存在的固体物质13混合并通过流化气体12冷却。在第一室4后接的涡流室5、6中实现固体物质13的继续冷却，其中，通过流化的固体物质13的水平或横向流动，分别在部分地分开室4、5、6的挡壁或隔墙7、8处，固体物质分流24、25进入到后接的室5、6内。为了加强或优化固体物质13的冷却，室4、5、6可以包括附加的热交换器管束23，经由它带走固体物质13的一部分热并传向另一载热介质(冷却水、冷凝液、给水等)，该载热介质在热交换器管束23内循环。固体物质13的大部分在其冷却到要求的温度以后作为固体物质分流26经由排出口16离开灰冷却器3，在排出口16前面连接一壁或隔墙9。其他的固体物质排放27、28、29可以设置在涡流室4、5、6的底部上。经由它们特别是排出较粗的固体物质颗粒，其由于固体物质13在冷却器3内的水平流动以及其与较小的固体物质颗粒相比自重较大而不可能横越隔墙7、8、9。
待冷却的固体物质13通常由粒度在0.05mm至最大约20mm之间的颗粒范围组成。为了防止较大的固体物质颗粒沉积在流化喷嘴21上，需要通过供给的流化气体流12调定一最小流化速度。固体物质13的粗大成分越多，流化速度必须选择得越高。随着流化气体12流化速度的增大，加强了细的固体物质颗粒从室4、5、6中向冷却器流化床35上方自由空间的排放。包含该细的固体物质颗粒的流化气体分流12.1、12.2、12.3绝大部分从各个室4、5、6中经由一个或多个返回管道19回到燃烧室2。只要该返回燃烧室2的细的固体物质13没有经由另一路线离开燃烧室2，则其在较长的时间以后重新排入灰冷却器3内，在那里重复同样的返回过程。由于细的固体物质13通过灰冷却器3这样多次循环而降低了灰冷却器3的排放容量。而且还提高了在热交换器管束23内循环的载热介质上的热量，其总的来说是一种损耗。
为了在最大程度上避免或减少使细粒的固体物质13向燃烧室2返回，按照本发明，在冷却器3的自由空间11内设置一个或多个分离器30。分离器30优选设计为收集槽分离器，该分离器基本上和示例性包括多个U形型材31并且其U形型材口32基本上逆着流化气体流12定向，分离器在自由空间11内基本上水平布置。代替示例的U形型材31也可以采用V形的或W形的或敞开的梯形的型材31作为收集槽分离器。从相应的室4、5、6流出的并且富含细的固体物质颗粒的流化气体分流12.1、12.2、12.3被导向适当地在排出口14的上游设置的U形型材31并将固体物质颗料排入U形型材31的内部或中心区域32，同时流化气体分流12.1、12.2、12.3在各U形型材31之间流过。在U形型材31内，固体物质颗粒由于其自身的重力而回落到涡流室4、5、6的流化床35中。这里，收集槽分离器或U形型材31的长度尺寸确定为使得固体物质颗粒直到流化床35之前或甚至直接排入相应的室4、5、6的流化床35中。通过将固体物质13借助于设计为收集槽分离器的分离器30分离以及使其返回到涡流室4、5、6中，从而，即使细的固体物质颗粒也能够经由底部排放27、28、29或排出口16离开。
本发明的循环的流化床反应器1的固体物质冷却器3优选在涡流室4、5、6中以流化气体12的垂直的流化速度在0.2m/s与1.8m/s之间而在自由空间11内以流化气体12的水平的速度在1m/s与5m/s之间操作。
按照本发明将细灰粒或固体物质细粒分离和送回而带来的一个有利的附加作用是，由此使得固体物质冷却器3的涡流室4、5、6中的固体物质种类变成细粒度的。因为细粒度的材料可以更好地流化，所以就抑制了固体物质粗颗粒在流化底部20上的聚积和沉积物形成。
各分离器30如图2至4中所示通常是固定设置的，亦即固定不动地设置或安装在冷却器3的自由空间11内。其中各分离器30可以设置在冷却器流化床35或热交换器管束23的上方或者挡壁或隔墙7、8的上方。其中如图2中所示，它们可以垂直地或相对于垂直线成一角度α优选成+/-60°的角度α并且沿着流化气体12的流动方向设置在气体侧的冷却器排出口14的上游。
图3和4以冷却器3的纵剖面和横剖面示出两排36、37固定设置的分离器30。分离器30的各U形型材31具有一长度L、一宽度B和一深度T。其中，并列地位于一个分距tB中的相应排36、37的各U形型材31彼此是间隔开的，间距tB优选为U形型材31宽度B的1.4至3.0倍，以便为流向排出口14的流化气体分流12.1、12.2、12.3提供足够的通过横截面。第二或必要时其他的沿流化气体12的流动方向在第一排U形型材36后面设置的U形型材排37优选离开第一排36或另一排以等于U形型材31深度T的1.4至3.0倍的间距tT间隔开设置。为了提高分离效能，所述第二或其他的排37的各U形型材31分别以一半的分距tB位错，从而第二或另一排37的各U形型材31总是居中地位于第一或处在其前面的排36的各U形型材31之间的通道上。各U形型材31的长度L可以沿在固体物质冷却器流化床35上方自由空间11的全高HF延伸。为了实现有效的分离，有利的是，各U形型材31的长度L至少有0.4倍的自由空间高度HF。在图3至10中分别示出两排U形型材36、37，它们基本上垂直于流化气体流并沿着流化气体流的方向接连设置。
图5至10示出分离器30分离效能的调节可能性。按图5和6的分离器30设有一共同的转动装置33，借其可将两个排36、37从垂直线以一角度β一直几乎转到水平线。图5示出各分离器30处于垂直位置并且是在全分离效能的情况下，而在图6中，各分离器30从垂直线转到一角位置β并且此时从流化气体流12中分离出显著较少的细粒。在图7和8中，例如借助于一个用于垂直或水平或侧向移动分离器30的未更详细示出的装置34可以通过各分离器30的垂直移动来改变或调节分离效能。由于各U形型材31从自由空间11沿着垂直方向移动或推移一尺寸V(这可以按图8向下或也可以向上实现)，从而可以改变和调节分离效能。分离效能的改变和调节借助于一个用于垂直或水平或侧向移动分离器30的未更详细示出的装置34通过第二或其他的U形型材排37的水平、侧向移动也是可能的，如图9和10中所示。当如图10所示第二排37各U形型材31与第一排36的各U形型材重叠或对齐时分离效能最大地降低。在各U形型材31大小相同并且冷却器横截面宽度保持不变的条件下，则第二排37或其他的排的各U形型材31侧向移动了一半的分距tB。
图11示出分离器30的一种布置方案，其中，各U形型材或单面敞开的梯形型材31的各分离器排同心于一排出口14设置。在此，径向靠外的排36的各U形型材31如同在各接连设置的排中位错于径向靠内的排37的各U形型材31进行设置。因此，在流化气体流12流出冷却器以前可以实现细固体物质颗粒的有效分离，其中载有细粒的流化气体流12被最大程度地清除了来自各方向的细粒。
                   附图标记清单
1    循环的流化床反应器
2    反应器室或燃烧室
3    固体物质冷却器或灰冷却器或流动床冷却器
4    涡流室
5    涡流室
6    涡流室
7    挡壁或隔墙
8    挡壁或隔墙
9    固体物质冷却器的出口上的壁或隔墙
10   涡流室的下部
11   冷却器流化床上方的自由空间
12   流化气体
12.1 流化气体分流
12.2 流化气体分流
12.3 流化气体分流
13   固体物质或灰
14   流化气体的排出口
15   固体物质的进入口
16   固体物质的排出口
17   灰调节配件
18   冷却器的装填管道
19   冷却器向燃烧室的返回管道
20   流化底部
21   流化喷嘴
22   气体或空气室(-全体)
23   热交换器管束
24    溢出口的固体物质分流
25    溢出口的固体物质分流
26    溢出口的固体物质分流
27    底部上的固体物质排放
28    底部上的固体物质排放
29    底部上的固体物质排放
30    分离器
31    U形或V形或W形或单面敞开的梯形的型材
32    U形或V形或W形或梯形的型材口
33    转动装置
34    用于垂直和/或水平和/或侧向移动分离器的装置
35    固体物质冷却器流化床
36    分离器排1
37    分离器排2

Claims (11)

1.循环的流化床反应器，特别用于燃料的燃烧，包括：
一燃烧室(2)，此燃烧室具有一在其内流化的固体颗粒材料的床身和一与之连接的固体物质冷却器(3)，用以冷却从燃烧室(2)的下部排出的灰或固体物质(13)，冷却器(3)包括：
-至少一个涡流室(4、5、6)，用于使待冷却的固体物质(13)以一种水平流动通过，其中，每一涡流室(4、5、6)具有一下部(10)和一位于冷却器流化床(35)上方的并与相应的涡流室(4、5、6)在气体侧及固体物质侧连通的自由空间(11)；
-用于将流化气体(12)输入每一个下部(10)的装置，以便在所述涡流室(4、5、6)中流化颗粒材料；
-至少一个排出口(14)，用于将流化气体(12)从自由空间(11)中排入燃烧室(2)的下部区域；
-至少一个进入口(15)，它将第一涡流室(4)与燃烧室(2)的下部连接，用于将灰(13)从流化床燃烧炉的底部附近导入冷却器(3)中；以及
-至少一个排出口(16)，它与最后的涡流室(4、5、6)连接，用于将固体物质(13)从冷却器(3)中排走；
其特征在于，在冷却器(3)的自由空间(11)内设置至少一个分离器(30)，用于从向排出口(14)方向流动的并含有固体物质颗粒(13)的流化气体(12)中分离固体物质颗粒(13)并且使分离出的固体物质(13)返回到涡流室(4、5、6)中。
2.按照权利要求1所述的循环的流化床反应器，其特征在于，分离器(30)设计为收集槽分离器，它主要包括多个U形或V形或W形的型材或单面敞开的梯形型材(31)并且其型材口(32)基本上逆着流化气体流定向。
3.按照权利要求1或2所述的循环的流化床反应器，其特征在于，分离器(30)设有至少一排(36、37)单面敞开的型材(31)，其中，每一排(36、37)的各型材(31)并列和彼此间隔开地设置，并且各型材排(36、37)基本上垂直于流化气体流并在存在多个排(36、37)时沿流化气体流的方向接连地设置。
4.按照权利要求3所述的循环的流化床反应器，其特征在于，一个排(36、37)的各型材(31)沿流化气体流的方向分别位错于一个位于上游和/或下游的排(36、37)的各型材设置。
5.按照权利要求2至4之一项所述的循环的流化床反应器，其特征在于，型材(31)的长度(L)至少为自由空间高度(HF)的0.4倍。
6.按照权利要求2至5之一项所述的循环的流化床反应器，其特征在于，各型材(31)相对于垂直线设置在+/-60°的角度(α)内。
7.按照上述权利要求之一项所述的循环的流化床反应器，其特征在于，通过改变分离器(30)的定位角(β)可调节分离器(30)的分离效能。
8.按照上述权利要求之一项所述的循环的流化床反应器，其特征在于，通过各型材(31)或包括各型材(31)的各排(36、37)的侧向移动可调节分离器(30)的分离效能。
9.按照上述权利要求之一项所述的循环的流化床反应器，其特征在于，通过分离器(30)的垂直移动可调节分离器(30)的分离效能，其中分离器可移到部分或完全在自由空间(11)之外的区域内。
10.按照上述权利要求之一项所述的循环的流化床反应器，其特征在于，流化气体(12)在室(4、5、6)中的垂直的流化速度在0.2m/s与1.8m/s之间，而流化气体(12)在自由空间(11)内的水平的速度在1m/s与5m/s之间。
11.用以操作按照权利要求1的特征的循环的流化床反应器的方法。
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