SK34397A3 - Fluidized bed with improved nozzle construction - Google Patents

Description

Zariadenie s fluidným lôžkom a tryskovými jednotkami

Oblasť techniky ¹ Vynález sa týka zariadenia s fluidným lôžkom a má zvláštne uplatnenie pri spaľovacích zariadeniach s fluidným lôžkom, ktoré sú súčasťou zariadení na výrobu pary. Aj keď má riešenie podľa vynálezu primárne uplatnenie pri spaľovacom procese v systéme na výrobu pary, rozumie sa, že sa môže využiť v rade ďalších zariadení s fluidným lôžkom. Odborníkom v tomto odbore je známe, že vírivé lôžka sa už používali desiatky rokov tiež pri reakciách, pri ktorých nedochádzalo k spaľovaniu horľavých látok, ale k dôkladnému premiešavaniu a bezprostrednému vzájomnému kontaktu reagujúcich zložiek vo vírivom lôžku, čo viedlo k veľkej účinnosti procesu so súčasnou zvýšenou hospodárnosťou využitia času a energie.

Doterajší stav techniky

Spaľovacie zariadenia s fluidným lôžkom môžu účinne spaľovať uhlie pri teplotách dostatočne nízkych, aby sa odstránili mnohé problémy spojené s jeho spaľovaním pri inom spaľovacom režime. Pojem fluidné lôžko sa vzťahuje k takým podmienkam, pri ktorých sa tuhé materiály uvádzajú do vznosu a majú podobné chovanie ako tekutiny. Pri prechode plynu lôžkom tuhých častíc materiálu smerom hore vyvodzuje prúd plyI nu sily, ktoré majú snahu oddeľovať jednotlivé častice od seba. Pri malých rýchlostiach prúdenia plynu zostávajú častice vo vzájomnom kontakte a majú snahu brániť sa akémukoľvek pohybu. Pri takýchto podmienkach sa vrstva materiálu nazýva pevným lôžkom. Pri zvyšovaní prietoku plynu sa dosiahne bod, v ktorom sú sily pôsobiace na tuhé častice sypkého materiálu dostatočne veľké na vyvolanie oddeľovania častíc. Vrstva tuhých častíc sa potom javí ako stekutená alebo víriaca, pretože plynový vankúš medzi jednotlivými časticami umožňuje ich voľný pohyb a vrstva týchto častíc potom získava vlastnosti tekutej látky.

Spaľovanie v tomto vírivom čiže fluidnom lôžku umožňuje spaľovanie takých palív, ktoré majú vysoký obsah popola, síry a dusíka a ktoré by sa inak považovali za nevhodné pre spaľovanie. Využitím tohoto procesu je možné aspoň v niektorých prípadoch odstrániť potrebu použitia práčok spalín aj pri splnení emisných podmienok. Pri spaľovaní paliva vo fluidnom lôžku palivo horí vo vrstve nehorľavých častíc, udržiavaných vo vznose prúdom fluidizačného plynu, ktorý smeruje hore. Typickými palivami pre takéto kúreniská sú pevné palivá, najmä uhlie, aj keď by sa v tomto systéme možno ľahko využívali aj kvapalné a plynné palivá.

Fluidizačným plynom je obvykle spaľovací vzduch a plynné splodiny spaľovacieho procesu. Ak sa nevyžaduje zachytávanie síry, môže sa k popolčeku, ktorý vzniká z paliva pridávať na udržanie lôžka inertný materiál, napríklad piesok alebo prirodzený oxid hlinitý. V takýchto praktických použitiach, v ktorých sa vyžaduje zachytávanie síry, sa ako sorbent používa vápenec, ktorý tvorí súčasť lôžka. Sú známe dva základné typy spaľovacích systémov s fluidným lôžkom: (1) prebublávacie fluidné lôžko (BFB), ktorým prechádza väčšie množstvo vzduchu, ako ktoré by bolo potrebné na udržiavanie tuhých častíc vo vznose, pričom vzduch prechádza týmto lôžkom vo forme bublín, pričom toto prebublávacie fluidné lôžko sa vyznačuje miernym premiešavaním tuhých častíc obsiahnutých v lôžku a pomerne malým unášaním tuhých častíc prúdom spalín, a (2) cirkulačné fluidné lôžko (CFB), ktoré sa vyznačuje vyššími rýchlosťami a menšou veľkosťou tuhých častíc v lôžku. V takýchto systémoch sa stáva povrch fluidného lôžka s narastajúcim unášaním tuhých častíc stále viac rozčerený, takže povrch lôžka sa nedá jasne definovať. Systémy s cirkulujúcim fluidným lôžkom majú veľkú rýchlosť cirkulácie materiálu zo spaľovacieho ústrojenstva do recyklačného systému na recykláciu častíc a späť do spaľovacieho ústrojenstva. Riešenie podľa vynálezu je zvlášť vhodné pre kotle s cirkulujúcim fluidným lôžkom, aj keď sú odborníkom v tomto odbore zrejmé ďalšie možné aplikácie. Základné vlastnosti a znaky zariadení tohoto základného typu sú ďalej opísané v publikácii Combustion Fossil Power, ktorú vydal Joseph G. Singer, P.E a ktorá bola uverejnená firmou Combustion Engineering, Inc., ktorá je sesterskou firmou Asea Brown Boveri, 1000 Prospect Hill Road, Windsor, Connecticut 06095, v roku 1991.

Pri konvenčných parných generátoroch s cirkulačným fluidným lôžkom sa mechanicky alebo pneumaticky privádza mleté palivo a sorbent do spodnej časti spaľovacieho ústrojenstva. Do dna spaľovacieho ústrojenstva sa privádza primárny spaľovací vzduch z rozvádzača vzduchu a sekundárny spaľovací vzduch sa privádza vzduchovými vstupnými otvormi, ktoré sú umiestnené na jednej úrovni alebo na niekoľkých úrovniach v spodnej časti spaľovacieho ústrojenstva. K spaľovaniu dochádza vo vnútri spaľovacieho ústrojenstva, ktoré je naplnené materiálom tvoriacim lôžko. Spaliny, strhávané a unášané častice pevného materiálu opúšťajú spaľovacie ústrojenstvo a vstupujú do jedného cyklónu alebo do skupiny cyklónov, v ktorých sa pevné častice odlučujú z prúdu plynov a padajú dole do utesneného spodného nadstavca cyklónového odlučovača. Z tohoto utesneného nadstavca sa pevné častice vracajú do spaľovacej komory ako recyklovaný materiál. Vo vybraných prípadoch sa pevné častice môžu odkloniť zo svojej dráhy späť do spaľovacieho ústrojenstva a môžu sa privádzať otvoreným kužeľovým ventilom do vonkajšieho výmenníka tepla (FBHE), ktorý pracuje tiež s vírivým lôžkom, a späť do spaľovacieho ústrojenstva. Vo výmenníku tepla (FBHE) absorbujú zväzky rúrok teplo z víriacich tuhých častíc.

Rozdeľovanie vzduchu vo vnútri lôžka sa zaisťuje pri týchto doteraz známych zariadeniach sústavou vzájomne rovnobežných nerezových oceľových rúrok, vystupujúcich zvislo hore zo základnej nosnej dosky fluidného lôžka. Horný koniec každej tejto rúrky je uzatvorený a každá rúrka je vybavená skupinou radiálne prebiehajúcich otvorov na usmerňovanie prúdenia vzduchu do lôžka a zaisťovanie vznosu častíc. Každý z týchto otvorov má priemer medzi 17,8 mm a 22,9 mm. Tieto rúrky sú obvykle vytvorené ako odliatky a otvory sú do ich stien potom dodatočne vyvŕtané. Pokusy o odlievanie nerezového oceľového materiálu pomocou odoberateľných jadier do tvaru rúrok s uzatvoreným horným koncom však boli neúspešne. Náklady na výrobu takýchto rúrok boli pritom vysoké.

Tieto známe konštrukcie mali tiež nevýhodu spočívajúcu v tom, že boli citlivé na upchávanie otvorov nečistotami obsiahnutými vo vzduchu, ktorý sa privádza do fluidného lôžka. Preto bolo potrebné zaisťovať stálu údržbu a čistenie otvorov. V niektorých prípadoch dochádzalo k takému stavu, že bolo potrebné odstaviť celé zariadenie na výrobu pary z prevádzky. Aj keď je niekedy parný generátor odstavený kvôli inej údržbe, ide spravidla pri tejto odstávke o čas a prednosť majú iné údržbové operácie vo vnútri kúreniska ako čistenie otvorov, takže je nanajvýš žiadúce, aby sa obmedzila potreba čistenia distribučného systému na rozvádzanie vzduchu a priestoru fluidného lôžka na minimum.

V CH-PS 659 876 je opísané a zobrazené jedno zo známych zariadení tohoto druhu. Ako je zrejmé z tohoto CH-PS 659 876, zariadenie s fluidným lôžkom pri tomto známom uskutočnení tvorí skriňa (1), podlaha (2) obsahujúca skupinu všeobecne vzájomne rovnobežných rúrok (4), spojených medzi sebou rebrami (3), ktoré prebiehajú medzi susednými rúrkami (4), a skupinu tryskových jednotiek prebiehajúcich v podstate zvislo vo vzájomne rovnobežných polohách. Pri zariadení podľa ťohoto CH-PS 659 876 obsahuje každá trysková jednotka valcovité teleso (20), ktorého stredná os je v podstate kolmá na podlahu (2) kúreniska a každé z valcovitých telies (20) je vybavené skupinou hlavíc vystupujúcich v podstate radiálne z valcovitého telesa (20) na jeho konci, odvrátenom od podlahy (2).

4a

Úlohou vynálezu je preto zaistiť dokonalé premiešanie tuhých častíc a tesný kontakt reagujúcich zložiek v zariadení s fluidným lôžkom.

Ďalšou úlohou je vyriešiť zariadenie na rozvádzanie vzduchu vo fluidnom lôžku, ktoré by kládlo menšie požiadavky na údržbu.

Ešte inou úlohou vynálezu je vyriešiť také zariadenie, ktoré by sa dalo ľahšie vyrobiť a malo nižšie výrobné náklady ako doteraz známe zariadenia.

Úlohou vynálezu je tiež vytvoriť zariadenie, ktoré by účinne rozdeľovalo vzduch vo vnútri zariadenia s fluidným lôžkom a nevyžadovalo toľko rozvádzacích jednotiek ako známe zariadenia.

Podstata vynálezu

Tieto úlohy sú vyriešené zariadením s fluidným lôžkom podľa vynálezu, ktorého podstata spočíva v tom, že obsahuje skriňu, nosnú konštrukciu, ktorá obsahuje skupinu vzájomne rovnobežných rúrok, spojených navzájom rebrami umiestnenými medzi rúrkami, a skupinu tryskových jednotiek, ktoré prebiehajú v podstate zvislo vo vzájomne rovnobežných polohách, každá z týchto tryskových jednotiek obsahuje všeobecne valcové teleso, ktorého stredná os je všeobecne kolmá na nosnú konštrukciu, a každé z valcových telies obsahuje skupinu hlavíc, prebiehajúcich v podstate radiálne z koncovej časti valcového telesa, ktorá je axiálne najvzdialenejšia od nosnej konštrukcie.

Vo výhodnom uskutočnení vynálezu je každá hlavica umiestnená v rovnakej vzdialenosti od susednej hlavice v obvodovom smere každého valcového telesa a každá z týchto hlavíc je v podstate valcová a má strednú os. Každá zo stredných osí týchto hlavíc je sklonená v ostrom uhle vo vodorovnej rovine, pričom veľkosť tohoto uhla je približne 20°.

Niektoré z tryskových jednotiek majú v istých prípadoch dve hlavice a iné z týchto tryskových jednotiek majú štyri hlavice. V iných výhodných uskutočneniach zariadenia podľa vynálezu majú všetky tryskové jednotky dve hlavice a iné zariadenia majú všetky tryskové jednotky vybavené štyrmi hlavicami .

¹ ,

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález bude bližšie objasnený pomocou príkladov uskutočnenia zobrazených na výkresoch, kde znázorňujú obr. 1 schematický bočný pohľad na príkladný parný generátor s cirkulačným fluidným lôžkom, v ktorom sa môže využívať zariadenie podľa vynálezu, obr. 2 pôdorysný pohľad, vedený z roviny 2-2 z obr. 1, na časť dosky podporujúcej fluidné lôžko, obr. 3 pôdorysný pohľad na trysku pre fluidné lôžko podľa prvého príkladného vyhotovenia vynálezu, obr. 4 priečny rez tryskou z obr. 3, vedený zvislou rovinou 4-4 z obr. 2, obr. 5 podobný pôdorysný pohľad ako na obr. 3 na iné príkladné vyhotovenie zariadenia podľa vynálezu a obr. 6 bočný pohľad a čiastočný rez zariadením z obr. 5, podobný rezu z obr. 4 s výnimkou spodnej časti, ktorá je pre zjednodušenie vynechaná.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Na obr. 1 je zobrazený konvenčný parný generátor 10 s cirkulujúcim fluidným lôžkom. Do spodnej časti spaľovacej jednotky 12 sa privádza drvené palivo a sorbent, pričom do dna spaľovacej jednotky 12 sa privádza vzduchovým rozvádzačom 14 primárny vzduch, zatiaľ čo sekundárny vzduch prichádza vzduchovými vstupnými otvormi umiestnenými v jednej alebo niekoľkých výškových úrovniach v spodnej časti spaľovacej jednotky 12. K spaľovaniu dochádza vo vnútri spaľovacej jednotky 12, naplnenej materiálom na vytvorenie vírivej vrstvy. Plynné spaliny a spálené tuhé častice opúšťajú spaľovaciu jednotku 12 a vstupujú do najmenej jedného cyklónu 18, v ktorom sa tuhé častice odlučujú od plynu a padajú dole do utesneného spodného nadstavcá 20. Z tohoto utesneného spodného nadstavca 20 sa tuhé častice vracajú nä recykláciu do spaľovacej jednotky 12. Podľa potreby sa môžu niektoré častice odvádzať nabok neznázorneným kužeľovitým ventilom do vonkajšieho výmenníka 22 tepla s vírivou vrstvou a späť do spaľovacej jednotky 12. Vo výmenníku 22 tepla s vírivou vrstvou sa teplo absorbuje v zväzku rúrok z víriacich tuhých častíc. Spaliny sú usmerňované z cyklónov 18 do konvekčného kanála 24.

Na obr. 2, 3 a 4 je zobrazené prvé príkladné vyhotovenie vzduchovej trysky 30 podľa výhodného vyhotovenia vynálezu.

Rozumie sa, že nosná konštrukcia 14 pre fluidné lôžko obsahuje sústavu rúrok 32, ktoré sú spojené medzi sebou príslušnými rebrami 34. V rúrkach 32 sa vedie voda, ktorá sa má zohrievať v zariadení na výrobu pary, zobrazenom na obr. 1. Ako je zrejmé z obr. 2, z podlahy alebo nosnej konštrukcie 14 vystupuje vo zvislom smere veľký počet tryskových jednotiek 2° na vytvorenie vírivého lôžka.

Každú trysku 30 tvorí všeobecne valcové teleso 36. ktoré sa smerom hore približne v polovici svojej dĺžky rozširuje do časti s mierne väčším priemerom. Zúžená spodná časť valcového telesa 36 je žiadúca najmä z dôvodu obmedzeného priestoru, ktorý zostáva medzi susednými rúrkami 32. Z tohoto dôvodu limituje rozstup rúrok 32 maximálny možný priemer valcového telesa 36 na jeho spodnej koncovej časti. Trochu väčší priemer valcového telesa 36 je zase v jeho hornej časti výhodnejší na zaistenie priaznivého prúdenia vzduchu do jeho štyroch vyfukovacích hlavíc 38. Tieto štyri vyfukovacie hlavice 38 sú vždy v podstate valcové a ich príslušné stredné osi ležia vo výhodnom príkladnom vyhotovení vynálezu v prvej a druhej rovine, ktoré sú na seba kolmé. Vo výhodnom príkladnom vyhotovení vynálezu majú jednotlivé vyfukovacie hlavice 38 vnútorný priemer približne 27,9 mm. Valcové teleso má vnútorný priemer vo svojej spodnej časti 63,5 mm a vnútorný priemer v hornej širšej časti svojej dĺžky najmä 76,2 mm.

Stredné osi každej vyfukovacej hlavice 38 sú všetky výhodne sklonené v uhle okolo 20° k vodorovnej rovine. V typickom konštrukčnom vyhotovení majú trysky 30 celkovú výšku okolo 45,7 mm a rozstup medzi strednými osami rúrok 32 je 17,6 mm. Odborníkom v tomto odbore techniky je zrejmé, že v iných konštrukciách kúreniska na vytvorenie fluidného lôžka sa môžu použiť celkom iné dimenzie, ak sú tieto konštrukcie určené pre iné technické aplikácie. Telesné vytvorenie trysky sa navrhlo tak, že umožňuje odliatie celej trysky 30 do pieskovej formy v jednej odlievacej operácii. Odlievaním do pieskovej formy sa súčasne vytvorí valcové teleso 36, štyri vyfukovacie hlavice 38 a kopulovitá koncová časť 40.

Tryská 30 podľa vynálezu je výhodná tiež tým, že nie je citlivá na upchanie a tým prerušenie prúdu vzduchu do fluidného lôžka, pretože otvory v príslušných vyfukovacích hlaviciach 38 sú omnoho väčšie ako otvory v doteraz známych konštrukciách podobného druhu. Okrem toho zariadenie podľa vynálezu obsahuje podstatne menej potrebných trysiek 30 ako bol potrebný počet rúrok pri doteraz známych konštrukciách. Požiadavka na menší počet trysiek 30 ako to bolo pri počte rúrok doteraz známych konštrukcií vyplýva jednak z veľkosti otvorov vo vyfukovacích hlaviciach 38 a jednak z uhlovej orientácie vyfukovacích hlavíc 38.

Pretože trysky 30 sa môžu vyrábať jednoduchou odlievacou operáciou, cena takejto trysky 30 sa rovná približne polovici ceny zodpovedajúcich rúrok, používaných pri známych zariadeniach. Ďalšia úspora sa môže dosiahnuť vďaka väčšej prietokovej kapacite každej trysky 30 v porovnaní s doteraz známymi rúrkami. Konkrétne sa pri novom návrhu zariadenia podľa vynálezu dosiahlo zníženie počtu jednotiek s tryskami 30. o viac ako 50 % oproti počtu rúrok používaných pri doteraz známych zariadeniach. Kombinovaný účinok vedie k zníženiu nákladov v porovnaní so známymi zariadeniami o takmer 75 %.

Na obr. 5 a 6 je zobrazené iné príkladné vyhotovenie tryskovej jednotky podľa vynálezu. Táto ďalšia trysková jednôt ka 50 má podobné konštrukčné vytvorenie ako trysková jednotka 30 z prvého príkladného vyhotovenia vynálezu s tým rozdielom, že je vybavená len dvoma hlavicami 38. Obidve tieto hlavice 38 sú v podstate valcové a každá z nich je sklonená k vodorovnej rovine podobne ako sú sklonené hlavice 38 tryskovej jednotky 30 z prvého príkladného vyhotovenia. Rovnako ako pri tryskovej jednotke 30 z prvého príkladného vyhotovenia sú stredné osi obidvoch hlavíc 38 uložené v spoločnej rovine. Valcové teleso 36 tryskovej jednotky 50 z druhého príkladného vyhotovenia je v podstate zhodné s valcovým telesom 36 prvej tryskovej jednotky 30. Kupolovitá koncová časť 52 sa môže svojim tvarom trochu líšiť od kopulovitej koncovej časti 40 prvej tryskovej jednotky 30. avšak tieto rozdiely nie sú podstatné.

Trysková jednotka 50 podľa druhého príkladného vyhotovenia sa v prvom rade umiestňuje do susedstva stien spaľovacej jednotky 12.. Trysková jednotka 50 sa môže uplatniť tiež pri niektorých odoberacích operáciách, pričom je pochopiteľné, že pre početné vratné a odoberacie operácie sa môžu využiť tiež tryskové jednotky 30 z prvého príkladného vyhotovenia. V tých prípadoch použitia, kde je výhodne použitie tryskovéj jednotky 50. však bude nutné použiť väčší počet tryskových jednotiek 50 ako by to bolo pri použití tryskovej jednotky 30 z prvého príkladu v tomto zariadení. Ovšem aj v tomto prípade bude počet tryskových jednotiek 30 menší ako by to bolo pri použití rúrok podľa známeho stavu techniky ako časti zariadenia.

Vynález bol v predchádzajúcej časti objasnený pomocou zobrazených príkladných vyhotovení zariadenia. Odborníkom v odbore týchto zariadení sú na základe týchto príkladných riešení zrejmé ďalšie varianty. Napríklad vynález bol objasňovaný pomocou dvojhlavicových a štvorhlavicových tryskových jednotiek, ale je zrejmé, že sa môžu použiť tiež tryskové jednotky s troma hlavicami, ktoré tiež spadajú do rozsahu vynálezu. Takýto variant síce nie je zahrnutý v príkladoch uskutočnenia, ale rozsah vynálezu je vymedzený len patentovými nárokmi.

y u

Claims (2)

1. Zariadenie s fluidným lôžkom, ktoré obsahuje skriňu, nosnú konštrukciu tvorenú skupinou vzájomne rovnobežných rúrok, spojených navzájom rebrami umiestnenými medzi rúrkami, a skupinu tryskových jednotiek, prebiehajúcich v podstate zvislo vo vzájomne rovnobežných polohách, každá z týchto tryskových jednotiek obsahuje všeobecne valcové teleso, ktorého stredná os je všeobecne kolmá na nosnú konštrukciu, a každé z valcových telies obsahuje skupinu hlavíc, prebiehajúcich v podstate radiálne z valcového telesa na jeho koncovej časti, ktorá je axiálne najvzdialenejšia od nosnej konštrukcie, v yznačujúce sa tým, že a) každé z valcových telies (36) má štyri hlavice (38), b) každá z hlavíc (38) každého valcového telesa (36) je rovnako vzdialená od susedných hlavíc (38) okolo obvodu každého z valcových telies (36), c) každá zo štyroch hlavíc (38) každého z valcových telies (36) je všeobecne valcová a má svoju strednú os a d) stredná os každej zo štyroch hlavíc (38) každého z valcových (36) je sklonená v uhle menšom ako 45°.

2. Zariadenie s fluidným lôžkom podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že ostrý uhol, v ktorom je stredná os každej zo štyroch hlavíc (38) sklonená smerom dole vzhľadom k vodorovnej rovine, sa rovná približne 20°.