控制循環流化床反應器中床溫的方法和設備的製作方法

2023-06-09 15:45:41 1

專利名稱：控制循環流化床反應器中床溫的方法和設備的製作方法
發明的領域本發明一般涉及循環流化床(CFB)反應器或燃燒器，更具體地說，涉及到控制CFB反應器或燃燒器床溫的方法和設備。本發明可通過控制由次級粒子分離器所收集的粒子循環速率和將其從貯藏裝置傳送到CFB反應器而達到這種結果。
發明的背景用於產生工業過程需要的和/或發電用的蒸汽的CFB反應器或燃燒器在現有技術方面是眾所周知的。

圖1、2和3表示各種已知CFB結構。圖示的CFB反應器或燃燒器一般用標號1表示之。通常向含有流體冷卻管的殼體牆8內部的反應器殼體或爐子(燃燒室)6的底部供給燃料2和吸附劑4。提供給空氣室(風箱)12的、供燃燒和流體化用的空氣10可通過分配板14上的孔進入爐子6。含有夾帶粒子或固體16(起反應或不起反應的粒子)的可燃氣體(煙道氣體)向上流過爐子6，並且將熱量釋放到殼體牆8。在大多數設計中，補充空氣是通過熱空氣管道18供給予爐子6的。還設置一爐床排放清除器19。
在爐子6內的煙道氣體中夾帶有起反應和不起反應的固體，並且向上的氣流將這些固體傳送到爐子6上部的出口。在那裡，一部分固體由一初級粒子分離器20所收集且在受控或未受控的流動速率下返回到爐子6的底部。初級粒子分離器20的收集效率通常按照有效性能和/或減低排放到大氣中的氣體中的固體含量的需要不能足夠地保持爐子6中的粒子。為此，在初級粒子分離器20的下遊設置有附加的粒子分離器。
參閱圖1，在一已知CFB反應器結構中，為獲得有效的CFB運行，設置有收集循環流過初級粒子分離器20的粒子的一次級粒子分離器22和其附帶的固體重複循環裝置。氣體和固體分別將熱量釋放到位於初級和次級粒子分離器20、22之間的對流受熱面26。為符合粒子排放要求的最終的氣體排放，在次級粒子分離器22的下遊(相對於煙道氣體流和夾帶的粒子16)設置有一末級或三級粒子分離器28。一清除裝置30可用以排出由次級粒子分離器22收集的來自煙氣中的固體。
在圖2所示的另一CFB反應器結構中，次級粒子分離器22是一末級粒子分離器。在此情況下，為了符合CFB爐子的有效性能要求以改善粒子滯留(保持)，由次級粒子分離器22收集到的固體或粒子可部分地循環流經循環輸送管道(管路)24進入CFB反應器6的底部。一清除裝置30排放由次級粒子分離器收集的來自煙氣中的固體。
當來自次級粒子分離器22的固體重複循環需要有效系統運行時，相當於具有給定固體輸入流量的CFB系統材料平衡的重複循環速率是隨固體的物理特性、初級和次級粒子分離器20、22的各自效率和通過下述條件之一施加於循環速率的極限或指標而變化的，這些條件為a)固體重複循環裝置24的容量；b)通過位於初級粒子分離器20下遊對流受熱面的最大容許固體負荷；c)具有最優CFB反應器性能(依據燃燒效率、吸附劑的使用、對流受熱面的浸蝕率和/或固體重複循環系統的維修費用以及d)CFB爐子6的爐床溫度的下限。
當來自次級粒子分離器22的重複循環速率與另一方面由於上述限制條件之一、由材料平衡所確定而獲得的速率相比較而受到限制時，過量的循環固體是可從次級粒子分離器22中除去的、且通過如圖1和2所示的清除裝置30加以處理(排出)，以適應重複循環的限制。
在已知系統中，最低固體裝料量是通過清除裝置30控制的排出速率而得以保持在次級粒子分離器的料鬥32中。在該系統中，增加來自次級粒子分離器22的循環固體的流動速度只能做到漸漸地增加在CFB反應器1中的固體裝料量。循環流量(和裝料量)的速率的增加是由改變次級粒子收集器(分離器)的排出流動速率所支配的，當循環流量開始增加時，排出流動速率減低到零。在圖1的系統中，排出流動速率一般不大於10％重量循環流量，而重複循環流動速率不能足夠地響應反應器裝料量控制。
圖3示意地表示在Strombery的美國專利號4,538,549中所揭示的已知CFB反應器或鍋爐系統。在該系統中，在CFB反應器爐6中的爐床溫度是通過調節由初級粒子分離器20收集的固體循環速率來改變爐子6中的循環固體裝料量，並且固體是貯藏在置於初級粒子分離器20下面的初級粒子貯藏料鬥34中的。在初級粒子貯藏料鬥34中的固體質量是根據CFB反應器控制要求而變化的。當在爐子中需要有更多的裝料量以減低爐床溫度時，通過反應器殼體或爐子6的底部與初級貯藏料鬥34連接的豎管或非機械的L閥36來增加固體循環速率。因此，一部分貯藏的爐床材料轉換成爐子6的裝料量的一部分。當需要降低CFB反應器裝料量時，產生相反的動作而使固體積聚在初級粒子貯藏料鬥34中。
在圖3所示的CFB設備中，來自次級粒子分離器22的循環固體的流動速率、按照材料的平衡而被確定為「不受控制的但可自調整的」(按美國專利號4,538,549，第7縱行第16-19行)。然而，使用CFB系統反應器或鍋爐的運行經驗和美國專利號4,538,549的控制方法顯示有下述的缺點a)在填充床領域中輸送貯藏在初級粒子貯藏料鬥34中的固體，由於在填充床中的粒子趨向於在約1600°F溫度下燒結引起流動性問題，這個問題對於流化床燃燒應用是典型的問題；以及b)需要完成這種控制方法的加熱粒子的貯藏，傳送和控制裝置意味著具相當大的成本並對CFB設計的複雜性產生影響。
已經提出一種改進的CFB反應器(轉讓予巴布考克和威爾考斯公司的1993年3月25日提出的美國專利序號08/037,986)，其中，固體由一整個內裝的初級粒子分離器收集，由此內部收集的粒子直接地回送到CFB反應器的底部。改進的CFB反應器因此消除了諸如豎管和L閥之類的任一外部循環裝置的需求，從而大量地簡化CFB反應器的結構和降低了其製造費用。這種設計與美國專利號4,538,549相比較的缺點在於它通過調整來自初級粒子分離器的固體重複循環流速控制在一CFB反應器中循環材料的裝料量而不設置爐床溫度控制。
因此，有必要出現一種控制CFB反應器中爐床溫度的方法和設備，而不依靠由初級粒子分離器收集的受控粒子的重複循環。
本發明的簡要說明本發明以特有的方式通過CFB反應器環流材料的裝料量來實現這些和其它的目的。本發明控制由次級粒子分離器收集到的固體環流速率，在由次級粒子分離器收集到的固體的貯藏裝置和在CFB反應器之間輸送固體物料，而不是控制從初級粒子分離器返回到CFB反應器的固體環流速率。
固體重複環流速率由床溫控制系統控制，它改變爐子6裝料量以將爐溫保持在一目標水平(範圍)。爐床溫度目標值是作為CFB反應器函數所確定的。爐子裝料量是隨實際和目標爐床溫度而調整的。爐子裝料量上的變化是通過在爐子和次級分離器貯藏裝置之間輸送固體而達到的。
因此，本發明的一個方面，涉及到一循環流化床反應器，它具有一容納和輸送循環流化床材料的殼體，所述殼體具有一下部和上部。設有一初級粒子分離裝置，它收集流經和取自反應器殼體氣流內所夾帶的粒子。設置有使通過初級粒子分離器收集的粒子返回到所述反應器殼體下部的裝置，設有次級粒子分離裝置，在氣體已流經所述初級粒子分離裝置後進一步收集在來自反應器殼體氣體內夾帶的和仍保留的粒子。設置由所述次級粒子分離裝置收集的粒子的粒子貯藏裝置。粒子貯藏裝置具有一按爐床溫度控制要求由在反應器殼體中的環流固體裝料量變化範圍內所確定的貯藏容量，並且考慮到所預期的燃料和吸附劑性能的變化以及所述反應器的載荷變化。設置有一重複循環系統，用於可控制由所述次級粒子分離裝置收集的粒子環流和將貯藏在所述粒子貯藏裝置中的粒子回送到反應器殼體的下部。設置有一床溫度控制系統，用於控制從所述粒子貯藏裝置進入所述反應器殼體的固體環流速率以便按照對控制所述反應器殼體中的循環流化床溫度的要求改變循環流化床反應器中的環流固體的物料量，最終，設置有一與所述床溫控制系統相互配合的固體貯藏水平控制系統用於按床溫控制要求控制在所述粒子貯藏裝置中的固體物料量。
本發明的另一方面也涉及到循環流化床反應器；然而在該實施例中，粒子貯藏裝置是遠離所述次級粒子分離裝置的位置。
本發明的再一方面涉及到控制含有固體材料並使固體材料通過一循環流化床反應器的反應器殼體而被輸送的循環流化床床溫的方法，所述反應器包括初級和次級粒子分離裝置。所述方法的步驟包括收集在所述初級粒子分離裝置中的流經和來自反應器殼體氣體內夾帶的粒子，和非控制地將所述粒子送回到所述反應器殼體。次級粒子收集器用於在氣體已流經所述初級粒子分離裝置之後進一步收集在來自所述初級粒子分離裝置之後進一步收集在來自所述反應器殼體的氣體內所夾雜的粒子。這些經進一步收集到的粒子通過所述次級粒子收集器而被貯存在粒子貯藏裝置中，且可控制地從與所述粒子貯藏裝置連接的在料鬥返回入反應器殼體中，以便按照控制對在所述反應器殼體中的循環流化床床溫的要求來改變在循環流化床反應器內的環流固體的物料量。
各種表示本發明的新穎性特點在所附權利要求中加以詳細指出並形成本說明書的一部分。為了更好地理解本發明，其操作優點和通過其使用而得到特有的效益，可參考表明本發明較佳實施例的說明性內容。
附圖的簡要說明圖1是一已知循環流化床(CFB)系統示意圖，它具有外部的初級、次級和三級粒子分離器，和將收集到的環流粒子從初級和次級粒子分離器回送到CFB。
圖2是一已知CFB系統的示意圖，它具有外部的初級和次級粒子分離器，和收集到的環流粒子從初級和次級粒子分離器回送到CFB。
圖3是一已知CFB系統的示意圖，它具有外部的初級和次級粒子分離器，收集到受控環流粒子從一初級粒子貯藏器回送到CFB以控制CFB反應器的床溫，以及收集到環流粒子通過次級粒子分離器回送到CFB。
圖4是本發明第一實施例的示意圖，其中所設置的環流粒子裝置由一次級粒子分離器收集和貯藏在直接位於次級粒子分離器下面的貯藏裝置中，且接受控速率回送到CFB反應器，以便根據控制CFB反應器床溫的要求改變環流固體的裝料量。
圖4a、4b和4c是圖4的粒子是圖4的粒子環流裝置的幾個實施例示意圖；以及圖5是本發明的第三實施例的示意圖，其中，所述粒子貯藏裝置設置在遠離所述次級粒子分離裝置的位置。
最佳實施例的說明在下述的論述中，在整個形成說明書的一部分的幾個附圖中，相同數字號代表同一或類似元件(部件)。本發明的第一實施例的示意圖示於圖4中。當然，儘管為了清楚說明的目的在圖4和5中示意地示出了與反應器6分隔開的初級粒子分離器20，但是圖4和5的兩個實施例包括前述轉讓予巴布考克和威爾考克斯公司的、1993年3月25日提交的美國專利申請序號08/037,986的改進的CFB反應器，在該反應器中，固體由完全內部初級分離器加以收集，分離器還把所收集的粒子由其內直接回送到CFB反應器的底部，而結合在本發明中的上述專利申請的文本作為參考。粒子16是通過一次級粒子分離器22從煙氣(廢氣)中收集到並在受控速率下循環返回到CFB反應器以改變CFB反應器中的環流固體的裝料量，因而控制CFB反應器爐床溫度。一爐床溫度控制系統80用於控制返回到CFB反應器6的粒子重複循環的速率。一種對鍋爐負荷X、爐子壓力降ΔP、溫度T和粒子重複循環速率的各種敏感元件和/或傳送元件的布置給爐床溫度控制系統80提供能夠反映CFB反應器運行狀態的信號，因此這種布置能確定和調整返回到反應器6的所需粒子重複循環速率。為貯藏粒子16而提供一次級粒子貯藏裝置40。一固體貯藏水平(貯位)控制系統80可控制貯藏裝置40內的粒子裝料量或水平(貯位)。貯藏裝置40可包括一罐或其它類似容器且一般可直接位於次級粒子分離器22的下面。一設置在貯藏裝置40下部的料鬥42。為了爐床溫度控制的需要，考慮到燃料、吸附劑性能和負荷變化的預期可變性，貯藏裝置40具有由反應器6殼體內的循環固體裝料量變化範圍所確定的容量。貯藏裝置40裝備有通常用44來標記的用於傳感其內的固體貯位(水平)的貯位傳感裝置。貯藏水平控制根據所檢測到的固定貯位和預定目標貯位(水平)比較來控制貯位。
在第一實施例中，貯位傳感裝置44可包括一個或多個位於貯藏裝置40上的固體貯位傳感元件，例如用於測定在一個或多個離散的預定位置上的固體貯位的電容探頭。最簡單的方法涉及在貯藏裝置40上的兩個位置，即相當於其中的一「高」或所需最高固體貯位和一「低」或所需最低固體貯位。如果需要的話，可用幾個探頭，每一探頭位於貯藏裝置40上的有影響的位置上。例如，如圖所示，可選擇三個貯位，第一對應於「中間」固體貯位M，第二個對應於「低」固定貯位L，第三個對應於「高」固體貯位H。特定控制操作可以基於測定的固體貯位和這三個預定貯位的比較而設計。
在第二實施例中，傳感裝置40可包括在貯存裝置40內的任一位置上提供一連續的(或不連續的)測定的固體貯位的裝置。在這樣一個實施例中，圖中所示的標記L、M和H可更精確地表示預置入爐床溫度控制系統80的設定點水平(Level)，而固體貯位控制系統81就不是貯位(水平)傳感元件的實際物理位置。
清除裝置46有利地設置有一與料鬥42連接的一放出管路72、一放出管路48和一固體流量控制裝置50以便控制在粒子貯藏裝置內的固體貯位。固體流量控制裝置50一般包括在貯藏水平控制系統81控制下的一可遙控閘閥或類似的「接通-斷開」類裝置。放出管路48將固體排放入穩壓罐51中，固體則從此罐中排出以便通過一固體抽空系統51』，有利的是由一氣動系統加以處理(排除)。穩壓管51被選擇得可提供一緩衝容量，因此固體抽空系統51』的容量不需要等於清除裝置46的容量，從而使固體抽空系統51』可循環地操作。
一重複循環系統52由床溫控制系統80加以控制以獲得從貯藏裝置40經過料鬥42返回到反應器殼體或爐子6底部的所需的固體循環流動速率，從而按控制CFB反應器床溫的需要改變反應器中循環固體的流量(裝料量)。重複循環系統52有益地包括一將固體從料鬥42送回到爐子6的底部的重複循環管路54。提供一通過重複循環管路54以檢測圖4中的S和控制固體流動速率以及在較高壓級位(存在於進入爐子6固體引入點)和較低壓級位(存在於料鬥內)之間的壓力密封的裝置。這些檢測和控制裝置是與床溫控制系統80可操作地連接的。
本發明設想到幾個重複循環系統52的實施例以提供固體流動速率的控制和壓力密封功能。這些例子示意地示於圖4a，4b和4c中。如圖4a所示，系統52的一個實施例使用諸如迴轉閥56的機械裝置，以提供一壓力密封和一通過閥控制輸送的固體的速率的裝置。在此情況下，迴轉閥速度傳感器S用於檢測環流固體的流動速率。如圖46所示，第二實施例使用諸如L-閥系統58的非機械裝置。供給L-閥的空氣提供環流固體的流量控制。在此實施例中，供給L-閥的空氣流動速率是用於檢測環流固體的流動速率。最終，圖4C表示一種結構，在這一種結構中使用機械和非機械裝置兩者(用於流動速率控制的迴轉閥和用於壓力密封的J-閥或環形水封)。
在貯存水平(貯位)控制系統81的控制下，消除裝置46排放來自料鬥42的固體從而保持在貯存裝置中所需固體貯位(水平)。圖4a-4c表示重複循環系統52的三種變型，當然也可使用其它結構。
將在下面更全面地討論由爐床溫度控制系統80和貯藏水平控制系統81採用的配合控制動作，這是取決於在貯藏裝置40中的檢測固體貯位(水平)和預定固體貯位極限的比較而定的。例如，當檢測貯位是在「低」的或低於「低」的貯位時，就不能增加返回到CFB反應器的粒子環流(循環)速率，實際上，粒子環流速率將降低到直到貯藏裝置40中的固體水平處於「低」的貯位位置之上為止。
本發明的第二實施例示於圖5中。在該結構中，一粒子貯藏裝置60設置得可貯存通過次級粒子分離器22從廢氣中去除的粒子，但貯藏裝置60是處於遠離次級粒子分離器22的位置。貯藏裝置60可包括一在其下部帶有料鬥62的罐或類似的容器，而貯藏裝置60的貯藏容量是使用早先的描述的貯藏裝置40的同一準則而選定的。水平(貯位)傳感裝置，通常用標號64表示之，是用於檢測貯藏裝置60內的固體貯位，並可採用與貯藏裝置40有關的早先所敘述幾個實施例的形式。
在圖5中，料鬥42與次級粒子分離器22的下部直接連接。重複循環系統52再一次可控制通過次級粒子分離器22從料鬥42返回到爐6下部收集到的環流粒子。流經循環管路54的流動速率通過迴轉閥速度傳感器5而提供給爐床溫度控制系統80。此外，其它各種用於鍋爐負荷X，爐的壓力降ΔP，溫度T，速度(RPM)S的傳感元件和/或傳送元件將CFB反應器上的操作參數的信息提供給爐床溫度控制系統80。重複循環系統52受到控制主要由於從成本和功率觀點來看不希望所有由次級粒子分離器22的收集和循環的固體通過一固體傳送系統(下文將敘述之)而循環流入貯藏裝置60內。
在圖5的實施例中，設置在料鬥42上的固體貯位傳感裝置44』用於檢測在其內部的粒子的「高」的和「低」的貯位。清除裝置46再一次在貯藏水平控制系統81的控制下與爐床溫度控制系統80相互作用以清除來自料鬥42的固體，而在料鬥42中保持所需的固體貯位。介於「高」限和「低」限之間的料鬥容量是由固體清除系統46的正常功能所需的最小值所確定而無需過多的經常工作周期，料鬥的尺寸標準類似用於已有技術的料鬥32。
設置有一固體輸送系統66，較佳的是一氣動輸送器，它包括一輸送管路68和例如一迴轉閥70的固體流量控制裝置。如圖5所示，固體輸送系統66接收來自料鬥42所收集的粒子並將粒子輸送到貯藏裝置60。輸送管路68可在料鬥42和閥50之間的一點(如圖5所示)直接與清洗管路72連接，或者也可直接與料鬥42連接。
一噴射系統74通過噴射管路76與料鬥62和爐子6連接。在此實施例中，噴射系統74是處於爐床溫度控制系統80的控制下，並具有將固體裝料傳送到爐子6(從貯藏裝置60)的主要職責以便獲得所需的爐子裝料量，從而獲得所需爐床溫度。諸如L-閥78或迴轉閥的固體流量控制裝置被設置在噴射管路76內。此外，固體流量控制裝置可以是機械型的，非機械型的或兩者的組合。
圖5中的遠距離設置的粒子貯藏裝置60可以當CFB系統的結構在次級粒子分離器22的下面不具有足夠的空間以安裝所需容量貯藏裝置40上時具有利的作用。遠距離設置也可提供在貯藏裝置60的底部和爐子6底部之間的高度差。這樣的高度差通過例如使用L-閥，J-閥，氣動滑閥，自流式卸料槽等所需的重力助推固體傳送，而獲得較佳的可靠性和簡便性。本發明的操作原理一已知CFB反應器爐床溫度控制系統用於改變爐子的裝料量以調節爐子的吸熱量，因此測得的爐床溫度可與根據反應器負荷或鍋爐蒸汽流量確定的目標爐床溫度比較。反應器裝料量是作為本行業技術人員熟悉的在反應器殼體6內的特定高度之間的壓降或壓力差而測得的。
本發明依靠此已知控制技術通過提供爐床溫度控制系統80而建立，爐床溫度控制系統80改變從次級粒子貯藏裝置40或60注入反應器殼體6的固體流動速率而獲得所需反應器裝料量，因而獲得所需爐床溫度。固體貯藏水平系統81通過固體清除裝置或輸送貯藏裝置40或60的目標裝料量作為反應器負荷和爐子裝料量的函數，限定在預定的「高」和「低「水平之間或交替地將貯藏裝置40或60的裝料量目標置定在「高」極限上而得以選擇和保持的。
本發明的方法是更為有效的，當在CFB系統中使用一種比較不太有效類型的初級粒子分離器20，例如衝擊型粒子分離器，在次級粒子分離器後面有一未級或三級固體收集器(例如，除塵室或靜電沉澱器)。在此例子中的次級粒子分離器典型的是一機械分離器(例如，多管旋風除塵器或旋風除塵器)，它們對收集最細尺寸的粒子不是十分有效的。但是，從裝料量控制觀點來看，因為它有助於避免循環物質和不滯留在反應器中的粒子所不希望的稀釋，這就是一個優點。
在穩態操作過程中，使用從初級粒子分離器20返回的未受控固體，在CFB爐子6中的總固體裝料量和其在爐子6的緻密部分(下爐床)和稀薄部分(上爐床)之間的分配是由燃料2，吸附劑4的性能和輸入流量，初級粒子分離器20和次級粒子分離器22的收集效率、在CFB反應器中的氣體速度、在供給予風箱12的空氣和過熱空氣18之間的空氣分流，通過爐床排放清洗器19離開的固體流動速率，以及來自次級粒子分離器22的固體環流速率等上述條件所確定的。在穩態條件下，環流速率是通過反應器性能要求而調整的，而由次級粒子分離器22收集的固體清除速率可保持系統中的固體平衡。
爐床溫度控制系統80在測定爐子溫度高於目標值時推導出一增加爐子裝料量的請求，而在測定溫度低於目標值時則減低爐子裝料量。爐溫目標通常是CFB反應器或鍋爐負荷(或鍋爐蒸汽流量)的函數，且考慮到操縱人員的調節(偏差)。為更多的動態調節作用，稀薄爐床裝料量也是通過作為在反應器或爐子殼體6的上部兩點之間壓力差而被測定的，且與作為CFB反應器負荷的函數的預定爐子裝料量目標比較。爐床溫度控制系統80把測定的爐溫和壓力差與其相應目標水平比較，並使用已知信號處理裝置推導出相當於從貯藏裝置40或60環流送入爐子6的所需固體流量的請求信號。請求信號與實際固體循環速率(由迴轉閥速度或由控制空氣流量的L-閥測量)比較，而改變環流速率以符合該請求。
有關圖4中所示的系統，爐床溫度控制系統80與設置在重複循環系統52中的粒子流量裝置56和/或58相互配合(閱圖4a-4c)。
有關圖5所示的系統，爐床溫度控制系統80設置在噴射系統74和重複循環系統52中的粒子流量控制裝置相互配合。當來自爐床溫度控制系統80的請求信號是要增加爐子的裝料量，-控制信號被輸送到噴射系統74和重複循環系統52。在系統52中的循環速率的反饋調節是通過在固體貯藏水平控制系統81和爐床溫度控制系統80之間的相互配合而提供的。當有一增加爐子裝料量的信號，那麼這種調節在料鬥42處於「高」水平時將增加通過重複循環系統52的循環流量，而當料鬥處於「低」水平時則將降低循環流量。同樣，當有一減少爐子裝料量的信號時，一信號被輸送到噴射系統74以停止固體的噴射，以及此信號被輸送到重複循環系統52以根據料鬥42中的水平位置使用相應的反饋調節以降低循環流量。
用於調節環流速率而施加在控制動作的限制如下在圖4和5的實施例中，通過重複循環系統52的環流速度不能增加到預定最大流量極限(值)範圍之外。
當在貯存裝置40(圖4)或料鬥42(圖5)的貯位(水平)是在「低」或在「低」限之下，就不能增加流經重複循環系統52的環流速率，這是因為為保持壓力密封沒有充分數量的粒子可供環流。
當爐子的總裝料量差是在預定最大極限或之上，就不能增加流經重複循環系統52循環速率(這主要是由於系統受到將空氣提供給CFB反應器的風扇容量所限制)。
固體貯藏水平控制系統81控制在貯藏裝置40(圖4)，貯藏裝置60以及料鬥42(圖5)中的固體水平(貯位)。
在圖4的實施例中，固體貯藏水平控制系統81(a)當貯藏裝置40中的固體貯位是在目標貯位(水平)或之上時(目標貯位可達到和包括「高」貯位在內的)，它打開排放閥50，就沒有來自爐床溫度控制系統80請求以增加流經重複循環系統52的固體循環速率，以及；(b)當在貯藏裝置40中的固體貯位低於目標貯位時，它使排放閥50閉合。
在圖5的實施例中固體貯藏水平控制系統81(a)當在貯藏裝置60中的固體貯位是處在目標貯位或之上時(目標貯位可達到和包括「高」貯位)，它打開清除閥50，就沒有來自爐床溫度控制系統的請求以將固體從貯藏裝置60噴射到反應器6，而在料鬥42中固體貯位是在「高」限或之上；(b)當貯藏裝置60中的固體貯位是在目標貯位之下，增加流經輸送管路68的固體流量，而料鬥中的固體貯位是在「低」限之上；以及(c)當貯藏裝置60中的固體貯位是在目標值之下，它使清洗閥50關閉。
圖4的實施例，按照本發明的系統，是按下述加以操作和控制的來自貯藏裝置40環流速率根據由爐床溫度控制系統80所設定的請求而變化。控制清除速率以保持在貯藏裝置40中的目標裝料量水平。
例如，當爐床溫度由於燃料或吸附劑性能上的變化而增加，就必須通過反應器的受熱而增加吸熱來控制爐床溫度。這是通過增加在爐床稀薄(上部)部分中的固體裝料量(密度)而做到的，而大部分受熱面是位於爐床上部。這可通過減低離開爐床排放清除器19的固體流動速率而達到的，但是與來自初級粒子分離器20或次級粒子分離器22的環流固體流量比較，由於爐床排放清除器的低容量，這種類型的控制動作是緩慢的。因為密集(下部)爐床裝料量趨向於比稀薄(上部)爐床裝料量增加得更快，因此這也是低效率的。反應器總裝料量的增加也導致了壓力送風機的較高壓力，結果是較高的功率消耗。
本發明提供一較佳的方法以增加稀薄爐床裝料量，這是通過增加由次級粒子分離器22收集的，貯藏在貯藏裝置40中且進入反應器的固體環流速率而實現的。因為使用了較之爐床排放清除速率19更快環流速率控制作用，而且由於來自貯藏裝置40的環流速率的變化，基本上對稀薄(上部)爐床裝料量起作用，而密集(下部)爐床裝料量則起少量變化，因此控制作用也顯得更為有效。這些不同的控制作用的發生在於那些通過初級粒子分離器20而容納在貯藏裝置40中的固體而且其尺寸(粒度)較之由初級粒子分離器20所收集的更細。
夾雜在煙氣中的粒子1 6的尺寸範圍約在5-800微米(1微米＝1×10-6米)之下。初級粒子分離器20對於大於75微米的粒子是有效的，而且可收集幾乎所有大於250微米的粒子。次級粒子分離器22通常可收集夾雜於煙氣中的大於5-10微米的粒子而且可收集幾乎所有大於75微米的粒子。
通過改變來自次級粒子分離器22的環流速率的稀薄(上部)爐床裝料量控制的程度是由貯藏在貯藏裝置40中的粒子尺寸分布數量確定的。用於稀薄(上部)爐床的流量控制量大量的粒子是那些由初級粒子分離器20有效地收集的粒度級粒子(典型的、帶有衝擊型初級粒子分離器的CFB反應器的那些大於75微米的粒子)。由次級粒子分離器22吸收的和貯藏在貯藏裝置40中的75-250微米範圍內的粒子16，其粒子環流速率的任一增量的增大會導致在初級粒子分離器20中環流速率15-25倍的較大的增量增大(假定在此粒度範圍內初級粒子分離器20的分數收集效率為93-95％)。那些由初級粒子分離器20不能去除的較小粒子將不留存在反應器6中，將流動到次級粒子分離器22中。
另一方面，添加250-800微米範圍內的粒子，以增加稀薄爐子裝料量，其效率比添加75-250微米範圍內的粒子較差。這是因為這些粒子的大部分將聚集在密集的(下部)爐子裝料量中。結果，測定的爐子6的溫度是高的，在爐床溫度控制系統80內裝料量控制功能產生一增加稀薄(上部)裝料量的信號，而可增加從貯藏裝置40通過系統52的環流流量。這樣將導致在貯藏裝置40中的裝料量減少，而使在CFB反應器爐6的裝料量增加。作為該控制作用的結果，當貯藏裝置40中，貯位降到低於目標貯位，使從料鬥42經過清除裝置46的固體流動停止。經初始的過渡周期後，在爐子6和在貯藏裝置40中的固體裝料量以及經過系統52的固體環流速率將在一新的數值下穩定，即爐子6的較高裝料量，貯藏裝置40中的較低裝料量，和環流系統52中的較高環流速率。
在不具有來自料鬥42的固體清除情況下，連續地將固體(燃料、吸附劑等)輸入到CFB中，將導致貯藏裝置40中的裝料量緩慢地增加。從貯藏裝置40通過清除裝置46沒有經受排放的固體直到在貯藏裝置40中固體貯位達到目標貯位為止。在這目標貯位位置上，清除裝置46重新開始運行，而被清除的粒子尺寸和速率將相當於新的固體系統的平衡。
如果CFB爐子6床溫度降低時，就需要降低CFB爐6的裝料量以減少通過CFB受熱面的吸熱量，同樣的控制作用，但是採取相反的方向。為響應來自爐床溫度控制系統的請求信號，降低來自貯存裝置40的環流速率以將裝料從CFB反應器傳送到貯藏裝置40。在此情況下，響應於控制作用的總的CFB系統類似於上述的初始強大的響應之後是一穩定周期，在此穩定周期過程中建立一新的平衡，它具有一較低稀薄(上部)爐子裝料量和一在重複循環系統52中的較低環流速度。如果，在貯藏裝置40中的固體貯位超過目標貯位，從爐子傳遞到貯藏裝置40中的固體將通過清除裝置46加以排出。
當CFB鍋爐負荷改變時，按類似方法進行爐子裝料(量)的適當修正，使用反應器中的爐床溫度作為主要的受控變量。在一負荷減低狀態下，來自貯藏裝置40的環流速率按需要降低以將爐床溫度保持在目標水平，而在稀薄(上部)床中的裝料(量)是通過將環流固體輸送到貯藏裝置40中而被減少的。當貯藏裝置40中的貯位是在目標貯位之上時，清除裝置46繼續工作，排除的固體進入緩衝罐51中。在一負荷增加狀態下，如上所述，貯藏固體從貯藏裝置40傳送到爐子6以控制爐床溫度。一旦貯藏裝置40中的固體貯位降低到目標之下，清除裝置46就不活動。
就圖5的實施例而言，按照本發明的系統是按下述方式操作和控制的由次級粒子分離器22收集的固體的環流速率是通過噴射系統76和重複循環系統52而供給予爐子的，且根據由爐床溫度控制系統80確定的裝料量請求而改變。相對於貯藏裝置60的清除速率和固體輸送速率是由固體貯藏水平控制系統81控制的，以便保持貯藏裝置60和料鬥42中的固體目標貯位。
當CFB反應器或燃燒器工作時，重複循環系統52連續運轉。當爐子裝料由爐床溫度控制系統80通過輸送來自貯藏裝置60的固體而增加時，系統52中的環流速率也增加，這是當料鬥42中的固體貯位在目標貯位或之上時，部分地由於對系統52的正向進給信號和反饋信號的原因。當爐子裝料量通過爐床溫度控制系統80而減少時，通過系統80將一信號發送給系統52而減低環流速率。
在CFB反應器或燃燒器工作時，固體輸送系統66間歇地工作，也就是說，僅在貯藏裝置60中的固體貯位低於目標貯位時才間歇工作。當貯藏裝置60中的貯位降落到低於目標貯位時，固體輸送系統66通過固體水平貯藏控制系統81而將材料添加到貯藏裝置60中，並使其貯位達到目標貯位。反饋信號是通過設置在粒子貯藏裝置60上的貯位(水平)傳感裝置64而提供的。
只有當需要增加爐子裝料量時，噴射系統76才工作。當貯藏裝置60中的貯位在「低」貯位或之下時，噴射停止，反饋信號是由貯位傳感裝置64提供的。
當料鬥42中的貯位處在上目標貯位或之上時，清除系統46工作，以及(a)沒有請求固體輸送系統66增加貯藏裝置60中的裝料量，(b)沒有請求增加通過系統52的環流，和(c)當料鬥42中的貯位達到極「高」貯位或料鬥42的貯位在大於預置定的時間限度時仍處於上目標貯位或之上時。換句話說，如果對在CFB反應器其它部分或在貯藏裝置40和60中的固體有一請求時，清除裝置46除了其它佔優勢的考慮之外將不活動。
由爐床溫度控制系統80和固體貯藏水平控制系統81採取的控制作用是按下述方法通過在料鬥42中所測定的粒子(固體)貯位而起作用。
當料鬥42的測定貯位是「高」時·如果需要增加爐床裝料量，爐床溫度控制系統80將增加通過重複環流系統52返回到CFB反應器的粒子環流速率，而環流速率是低於最大極限(點)。
·如果為了增加爐床裝料量而設有來自爐床溫度控制系統80的請求，以及貯藏裝置60中的貯位低於其目標值，固體貯藏水平控制系統81將粒子從料鬥42輸送到貯藏裝置60中。
·如果為增加爐床裝料量，沒有來自爐床溫度控制系統80的信號，貯藏裝置60中的貯位處在目標值或之上，固體貯藏水平控制系統80將排放來自料鬥42的固體。
·當料鬥中的測定水平是「低」時·一極限信號是由固體貯存水平控制系統81發送給爐床溫度控制系統80以降低環流速率；即超控爐床溫度控制系統80。
上述的控制策略在某些條件下可能存在幾種選擇之一。替代的策略可由那些熟悉根據本發明流量控制方法範圍的技術人員所提出。
本發明的系統和方法適用於下述條件1.在定載負荷操作過程中a)何時按CFB反應器性能要求所確定的固體環流速率，根據重複循環系統容量或在對流面中的最大容許固體負荷，基本上是小於最大環流速率，以及b)何時清除來自次級粒子分離器的固體，需要系統材料的平衡。
1.在載荷變化過程中作為如上所述的任一CFB系統。本發明優點本發明的優點與圖1和2的現有技術比較，在於它在反應器和用於與控制反應器中吸熱量的次級粒子分離器22連接的固體貯藏裝置之間有可能進行裝料量的輸送，因此，反應器床溫可隨燃料或吸附劑性能或載荷變化而改變。
在定載負荷操作過程中，在貯藏裝置40或60中的裝料易緩衝，改善了相對於由爐床溫度控制系統產生的請求的CFB反應器的動態響應。使得可快速改變來自貯藏裝置40或60的循環流量。
在已知CFB應用中，來自料鬥32的循環流量增加速率是根據料鬥32清洗量的減少通過在CFB中循環材料的增加速率而確定的。在這條件下，循環流量的增加速率是緩慢的，而且只有少量固體容納在料鬥32中，該固體數量不足以響應反應器裝料量控制。
在載荷變化過程中，聚集在貯存裝置40或60中的固體(載荷減少時)或從貯藏裝置40或60傳送到CFB反應器的固體(載荷增加時)提供了一擴展調節比(燃燒設備之最大輸出和最小輸出之比)和較大的載荷變化容量率。這樣就可在載荷變化過程中，與先前用反應器裝料易控制相比較就可減低爐床材料(組成)的清耗。
本發明的優於圖3所示現有技術的幾個優點在於1.按本發明貯存在CFB系統中的固體具有相當低的溫度(在高載荷操作下，典型的為500°F對現有技術的(1600°F)，從而避免了在滯止條件下的燒結。在初始粒子貯藏料鬥34和L-閥36中的固體燒結在這樣一CFB單元的高載荷操作過程中可能是在反應器裝料量控制下使用由初級粒子分離器收集的粒子的障礙。
2.按照本發明，貯藏的環流固體具有相當小的平均尺寸以增強對爐子熱傳遞(因為較小直徑粒子熱傳遞率是較大的)有關的反應器裝料量變化的效應。
3.較小粒子的傳遞起支配稀薄(上部)爐床裝料量作用，此作用造成在一反應器中的大多數固體對爐壁的熱傳遞的主要原因。在現有技術中，由貯藏在初級粒子分離器所收集到的粒子尺寸是較大的，物料輸送裝置顯著的影響緻密(下部)床裝料量，從而對熱傳遞產生少量影響。因此，對應於要求增加稀薄(上部)爐床裝料量的全面增加總反應器裝料量是較大的，從而導致需要較高壓力的風扇和較大的風扇功率消耗量。
4.在定載負荷操作下，已知CFB應用中的固體傳送僅個有一瞬時效應，因為它不改變CFB系統的穩態材料平衡；也就是說，在爐床排放清除裝置19和連接到次級粒子分離器的清除系統30之間的環流固體排放流量的數量和分配量上平衡。在穩態條件下，分配量可確定在反應器中環流固體的裝料量。當在CFB反應器中的稀薄(上部)爐床裝料量通過輸送來自動初級粒子分離貯藏裝置34(和增加初級粒子分離器20的環流速率)中的固體而增加時，這也會導致在緻密(下部)爐床中的環流固體的密集程度增加。這樣就導致通過爐床排放精除裝置19的環流材料的較高損失。取自次級粒子反應器22的排放速率也增加了在系統中有限定的次級粒子分離器的環流速率，這是由於通過初級粒子分離器20較多數量的環流材料而引起的。隨著較高損耗和不變的系統的固體的輸入，在反應器中環流材料的裝料量將逐漸地減低到相當於原有系統材料平衡的原來的穩態值。相反，在本發明中，當來自貯藏裝置40或60的環流速率增加時，由於通過清除裝置46而使損耗降低，因此，本發明可實現一持久(穩態)的裝料量增加。降低的排放速率將通過相對於反應器裝料量的增加，由增加爐床排放清除裝置19的排放速率加以補償。
已圖示和詳細說明的本發明的具本實施例闡述了本發明原理的應用，那些熟悉本領域的技術人員應理解到涉及下述權利要求和不脫離這些原理按本發明的方式可以作出改變。例如已圖示的和為清楚地敘述目的，可將爐床溫度控制系統和固體貯藏水平控制系統看作為兩個分離系統，熟悉控制技術的專業人員可以容易地意識到這些「系統」為相互聯繫的控制功能而結合在一起並且可以以編程序的微信息處理機為基的數字控制系統而加以實施。這系統的靈活性有助於將本發明應用於新結構，例如涉及循環流化床反應器或燃燒器或涉及現有循環流化床反應器或燃燒器的換裝，檢修或改型。本發明的一些實施例，本發明的某些特性有時可有利地使用而不需要相應地使用其它特性；同樣，有些特性可結合起來以實現所需的結果。因此，所有這些變化和實施例將嚴格地屬於下述權利要求範圍內。
權利要求
1.一循環流化床反應器，包括一用於容納和輸送循環流化床材料的反應器殼體，所述殼體具有一上部和下部；用於收集流經和來自反應器殼體氣體內夾帶粒子的初級粒子分離裝置；將由所述初級粒子分離裝置所收集的粒子回送到所述反應器殼體下部的裝置；次級粒子分離裝置，它用於在氣體已流經所述粒子分離裝置後，它進一步收集夾帶的和仍剩留在來自所述反應器殼體的氣體內的粒子；粒子貯存裝置具有一按床溫控制要求由在反應器殼體中的環流固體裝料量變化範圍內所確定的貯藏容量，並且考慮到預期的燃料和吸附劑性能的變化，以及所述反應器的載荷變化，以便貯藏由所述次級粒子分離裝置收集的粒子。重複環流系統，用於可控制地將由所述次級分離裝置收集的並貯藏在所述粒子貯藏裝置的粒子回送到所述反應器殼體的下部；一爐床溫度控制系統，用於控制從所述粒子貯藏裝置進入所述反應器殼體的固體環流速率以便按照控制所述反應器殼體中的循環流化床溫度的要求改變循環流化床反應器中的環流固體裝料量；一與所述床溫度控制系統相互配合的固體貯藏水平控制系統，用於按床溫控制要求，控制在所述粒子貯藏裝置中的固體裝料量。
2.按權利要求1的反應器，其特徵在於所述粒子貯藏裝置配備有檢測在其內的固體貯位的裝置。
3.按權利要求2的反應器，其特徵在於所述粒子貯藏裝置直接位於次級粒子分離裝置的下面，它還包括一在所述固體貯藏水平控制系統控制下的清除裝置，以便根據所述測定的固體貯位，控制在所述粒子貯存裝置中的固體貯位。
4.按權利要求1的反應器，其特徵在於所述重複循環系統包括一用於將固體從所述粒子貯藏裝置傳送到反應器殼體下部的環流管路，以及在所述床溫控制系統控制下用於控制通過所述環流管路固體流量的裝置。
5.按權利要求1的反應器，其特徵在於所述粒子貯藏裝置是在一遠離所述次級粒子分離裝置的位置上，還包括一固體輸送系統，它在所述固體貯藏水平控制系統控制下，將粒子從所述次級粒子分離裝置輸送到所述粒子貯藏裝置；以及一噴射系統，它在所述床溫控制系統控制下，可控制地噴射貯存在所述遙遠位置的、粒子貯藏裝置中的粒子以將其回送到所述反應器殼體下部，且按照控制在所述反應器殼體中的循環流化床溫度的要求改變在反應器中的環流固體裝料量。
6.按權利要求5的反應器，其特徵在於所述遙遠位置的粒子貯存裝置配備有檢測在其內的固定貯位的裝置。
7.按權利要求5的反應器，其特徵在於所述輸送系統包括一將固體從所述次級粒子分離裝置傳送到所述遙遠設置的粒子貯藏裝置的管路和控制流經所述管路的固體流動速率的裝置。
8.按權利要求5的反應器，其特徵在於所述噴射系統包括一將固體從所述遠離位置粒子貯藏裝置傳送到所述反應器殼體下部的管路和控制流經所述管路的固體流動速率的裝置。
9.按權利要求6的反應器，其特徵在於還包括一位於所述次級粒子分離裝置下部的料鬥，檢測在所述料鬥中的固體貯位和清除裝置，清除裝置在所述固體貯存水平控制系統下根據在所述料鬥中的所述測定固體貯位控制所述料鬥中的固體貯位。
10.按權利要求1的反應器，其特徵在於還包括一將反應器操作條件的代表性信號提供給所述床溫度控制系統，以使所述床溫度控制系統能夠確定一返回到反應器的所需粒子的環流速率。
11.一種控制含有固體材料並可輸送過循環流化床反應器反應器殼體的循環流化床床溫的方法，所述反應器包括初級和次級粒子分離裝置，包括若干步驟如下收集在所述初級粒子分離裝置中的流經和來自反應器殼體氣體內夾帶的粒子和將所述粒子回送到所述反應器殼體的下部；使用次級粒子分離器以使在氣體已流經初級粒子分離裝置後可進一步收集來自所述反應器殼體的氣體內所夾帶和仍剩留的粒子；將進一步收集到的粒子通過所述次級粒子分離器的收集而被貯藏在粒子貯藏裝置中；以及控制從所述粒子貯藏裝置進入反應器殼體下部的固體環流速率以便按控制在所述反應器中循環流化床溫度的需要通過改變在所述貯藏裝置中的材料的裝料量以改變循環流化床反應器中的環流固體的裝料量。
12.按權利要求11的方法，其特徵在於還包括幾個檢測步驟，以檢測是否有一請求增加或減少從所述粒子貯藏裝置進入反應器殼體下部的固體環流速率，和當有一請求增加從所述粒子貯藏裝置進入反應器殼體下部的固體環流速率時不從粒子貯藏裝置中排出固體。
13.按權利要求11的方法，其特徵在於還包括幾個檢測步驟，以檢測是否有一請求增加或減少從所述粒子貯藏裝置進入反應器殼體下部的固體環流速率，和當有一請求減少從所述粒子貯存裝置進入反應器殼體下部時，則從粒子貯藏裝置中排放固體。
14.按權利要求11的方法，其特徵在於還包括檢測在粒子貯藏裝置內部的固體貯位。
15.按權利要求14的方法，其特徵在於還包括幾個步驟，建立一用於粒子貯藏裝置的目標固體貯位，將目標固體貯藏與測定固體貯位進行比較，以及通過調節來自所述粒子貯藏裝置的固體清除流量，按照所述比較，控制所述粒子貯藏裝置中的固體貯位。
16.按權利要求15的方法，其特徵在於還包括如果所述測定的固體貯位是在所述目標固體之上時，以及如果沒有請求增加從粒子貯存裝置進入所述反應器的固體重複循環速率時則有一從所述粒子貯藏裝置中清除固體的步驟。
17.按權利要求15的方法，其特徵在於還包括當所述測定固體貯位低於所述目標貯位時，則有一不從粒子貯藏裝置中清除固體的步驟。
18.按權利要求11的方法，其特徵在於還包括下述步驟，將所述進一步收集到的第一部分粒子通過一環流系統直接回送到所述反應器殼體下部的重複循環步驟和將進一步收集到的第二部分粒子通過一固體輸送系統輸送到所述粒子貯藏裝置。
19.按權利要求18的方法，其特徵在於還包括通過控制從所述粒子貯藏裝置流經一噴射系統到所述反應器殼體的粒子噴射速率，來控制從所述粒子貯存裝置進入反應器殼體下部的固體環流速率的步驟。
20.按權利要求18的方法，其特徵在於還包括幾個步驟，建立一用於所述粒子貯藏裝置的目標固體貯位，檢測在所述粒子貯藏裝置內部的固體貯位，比較所述目標固體貯位和所述測定固體貯位，以及通過調節從所述次級粒子分離器流經所述固體輸送系統進入所述粒子貯藏裝置的固體流量，以便根據所述比較，控制所述粒子貯存裝置內部的固體貯位。
21.按權利要求18的方法，其特徵在於還包括下述幾個步驟建立一位於所述粒子收集器下部的料鬥的目標固體貯位，檢測料鬥內的固體貯位，比較所述料鬥的目標固體貯位和所述料鬥的測定固體貯位，如果所述料鬥的測定固體貯位是在所述料鬥的目標貯位之上，如果沒有為固體請求增加在所述貯藏裝置中的固體貯位，且如果沒有請求增加進入所述反應器的固體環流速率，那末從所述料鬥排出固體。
22.按權利要求21的方法，其特徵在於當所述料鬥的測定固體貯位低於所述料鬥的目標固體貯位時，則不從料鬥排出固體。
全文摘要
循環流化床CFB反應器(6)中的床溫是通過改變由次級粒子分離器(22)收集的且返回到CFB反應器(6)的粒子環流速率而受控的，粒子貯藏裝置(40)因燃料/吸附劑變化和/或載荷變化，所以尺寸製造得具有按裝料量/溫度控制所述要求的裝料量，貯藏的粒子是由所述分離器(22)收集。一爐床溫度控制系統(80)控制返回到反應器(6)的環流速率。在裝置(40)上設水平傳感裝置(44)。與系統(80)相配合的固體貯存水平控制系統(81)可通過一清除系統(46)控制貯藏裝置中的固體裝料量。
文檔編號F23C10/00GK1141073SQ95191689
公開日1997年1月22日 申請日期1995年1月26日 優先權日1994年2月18日
發明者弗利克斯·貝林, 基普林C·亞歷山大, 戴維E·詹姆斯 申請人:巴布考克及威爾考克斯公司