包含一個蒸汽冷卻的旋風分離的流態床蒸汽發生系統的製作方法
2023-08-09 11:00:56 3
專利名稱：包含一個蒸汽冷卻的旋風分離的流態床蒸汽發生系統的製作方法
技術領域：
本發明與流態化床蒸汽發生系統有關，更具體而言，這個系統具有一個由系統產生的蒸汽所冷卻的旋風分離器。
液態化床燃燒系統是眾所周知的，在這些裝置中空氣通過細碎粒子床層使該床層流態化，達到促使細顆粒燃料在相對低的溫度下燃燒。細碎粒子層包括化石燃料(例如煤)以及能吸附煤燃燒過程放出的硫的吸附劑，水用以參加流態化床層的熱交換以產生蒸汽。燃燒系統包含一個分離器，它能使來自燃爐部分的流態化床的煙氣中帶有的細碎顆粒分離出來，並使這些粒子循環送回流態化床中，於是產生了一系列具有吸引力的效果-高效能燃燒，硫的吸附百分率高;二氧化氮析出量低。以及可以靈活的選用燃料。
在這系統的燃爐部分最典型的流態化床常被稱為「鼓泡式」流態化床。細碎粒子床層具有相當高的密度及輪廓分明或界限分明的上表面，其它類型的液態化床利用「循環」流態化床層這種技術，流態化床層的密度可比典型的鼓泡型床層的密度低，空氣流速等於或大於鼓泡式床的流速，進氣管道來的氣體，通過流態化床層時帶有數量相當可觀的小的固體細顆粒，實際上氣體中細顆粒的含量達到了飽和的程度。此外，循環流態化床具有固體粒子的循環使用相對好的特點。該特徵使得循環流態化床對燃料的熱排放方式不敏感，因此溫度的變化減至最小，就使NiO2的析出降低到最小程度，固體粒子的高效循環提高了用以從氣體中分離出粒子使粒子循環使用的機器設備的效率。因此產生的效果-硫的吸附率的提高和燃料滯留時間的延長，減少了吸附劑和燃料的消耗。
然而，這類流態化床也有一些不足，例如常常需要增加昂貴的冷卻面積來使鍋爐中產生的蒸汽過熱，並且控制該系統產生的蒸汽溫度範圍也有困難。還有，這些類型的流態化床用在系統中，例如用於包含有一個或多個旋風分離器的蒸汽發生器。通常在分離器的下半部連接有料鬥用來收集分離器分離出的固體粒子。分離器和料鬥外包有一個整體的耐氣體衝蝕的絕熱耐熔壁，得以使外殼體保持相當低的溫度。然而，為了達到隔熱的目的，這些壁必須相當厚，因而加大了分離器和料鬥的體積重量和價格。還需要相當長的控制起動和停機時間來防止耐熔壁的龜裂。此外，這種設計構造的金屬外殼不能與外部進一步隔熱，因為這樣做會使其溫度升到高達1500°F，遠遠超過了金屬外殼所能承受的最高溫度。更進一步來看，按上述方式安裝的常規分離器在聯機使用前需要一個相當長的預熱過程來消除耐熔壁的過早龜裂，這是不方便的而且增加了生產過程的耗資。
此外，利用流態化床和旋風分離的系統，在流態化床燃爐和分離器之間，旋風分離器和熱回收部分之間都要有相當貴的用高溫耐火材料襯裡的管道和膨脹連接管，這些裝置既複雜耗資又大。
本發明的目的是提供一種利用流態化床鍋爐的蒸汽發生系統，該系統克服了以上提到的前系統的一些缺點。
在本發明中，一個旋風分離器設置在蒸汽發生系統中燃爐部分和熱回部分之間，旋風分離器壁上裝有管子，這些管子可從蒸汽鍋筒通入蒸汽，蒸汽通往熱回收部分之前先通過旋風分離器的壁，使壁得以冷卻。燃爐部分產生的帶有細碎粒子原料的煙氣送入旋風分離器去分離。被分離的細碎粒子被重新送進燃爐部分，而分離過的氣體被送到熱回收部分。
在上述類型的系統中，可以不需要過熱的表面層，對被加熱流體溫度範圍的控制也得到改善，旋風分離器的外表面也可穩定地保持在相當低的溫度。該旋風分離器與常規分離器相比體積小，重量輕，耗資少。
此外，熱損失也有所減少，對內部耐熔融熱層的要求減到最小限度。因此，對燃爐與旋風分離器之間、旋風分離器與熱回收部分之間的昂貴的高溫耐火襯裡管道和膨脹連接管的設置都減到最小限度。更進一步，上述類型的系統也可實現起動及載荷變化快的要求。
通過以上簡明的介紹，再參閱附圖對以下結合本發明的最佳但又不僅僅是例證性的實施例的更詳盡的描述，將會對本發明的目的、特徵和優點能更深入的領會。
圖1是表明本發明系統的簡圖;
圖2是圖1中沿2-2線的橫剖視圖;
圖3和圖4是與圖1類似的視圖，分別示出按本發明可供選擇的實施例;
參閱圖1，位號10總體上指的是本發明的流態化床燃燒系統，其中包括一個燃爐部分12，一個旋風分離器14，一個熱回收部分16，燃爐部分12包含一個立式外殼18，和一個設置在外殼下端部分用來從外界吸取空氣的壓力通風系統20，空氣分配器或護柵22設置在外殼18的下端和空氣壓力通風系統之間，讓壓力空氣從壓力通風系統往上通入外殼18。構成外殼體18的後壁上半部的管子，彎曲出殼體壁形成出口18a，使帶有細碎粒子的煙氣流出，這將在下面詳細描述，設置有一個或多個穿過外殼18的進口24，把細碎粒子引進殼體，細碎粒子可包含煤或相當細顆粒的吸附劑，例如石灰石，用來吸附燃燒時煤所產生的硫，吸附是按已知的方式進行的。從壓力通風系統20來的空氣使細碎粒子流態化，這將在以下描述。可以理解有洩出管子與空氣分配器22和/或外殼18的殼壁上的開口部對齊來從殼體中排出燃燒過的細碎粒子。
殼體18的殼壁是由許多平行有間隔的管子豎直延伸構成的，各管子之間設置有連續地沿管子直徑方向外延並與相鄰的管子焊接的肋片(未示出)，這些肋片與管子構成不透氣結構。因為這是一種常規性構造，管壁的情況將不做進一步描述。
系統中布置有流體輸送管線，使得水、蒸汽和/或水蒸汽混合物(以下簡稱流體)通過管道並使它加熱至能用來作功的程度，例如去驅動蒸汽渦輪機，所以集汽管(為方便起見圖中未示出)置於構成殼體18的殼體壁的上下兩端來把流體從構成殼壁的管子引進或引出。一個自然循環的蒸汽鍋筒32由導管34和36以及其他導管和集汽管(圖中未示出)連到殼體18的殼壁形成液體流動循環，這在以後將加以描述，這個流動循環包括一個下氣道38，它把蒸汽鍋筒32的上部與旋風分離器14連接起來。旋風分離器14可包含一個上頂部分40，一個圓錐形的下鬥形部分42和層中的圓柱形區段44。一個下環形集汽管48設置於鬥形部分42的下端部，而一個上環形集汽管50設置於上頂部分40的上面。40，42和46都是由一組連續的、彼此間隔、平行的管子52構成，管子52跨越分離器14的整個長度，其下端與集汽管48連接，上端與集汽管50連接，正如圖2中清楚示出，各管道52之間有間隔，而肋片54是連續地沿每根管子的徑向外延各自與鄰近的兩根管子焊接。這樣形成的結構位於內層耐熔材料56和外層隔熱材料58之間，耐熔材料可以是相當薄的高導熱性能耐熔層，而隔熱材料58可以是任何一種常規設計。
進口60設置於圓柱形區段44的內部，它可由管子52的一部分使之從圓柱形區段表面向外彎曲而形成，詳細介紹在美國專利第4，746，337號上，該專利轉讓給本發明的受讓人，具體內容可參閱該專利。
鬥形部分42是從中間區段44開始使管子52徑向向內彎曲構成，而上頂部分40是由管子52按一定角度徑向向內彎曲(參閱位號52a)隨即以一定角度向上彎曲構成(參閱位號52b)。一根內管或套管62置於圓柱形區段44內，它是由固態金屬材料構成，如不鏽鋼。該管子上端稍稍伸出於上頂部分40，管子62直接伸到環形開口處，該開口是位於彎管部分52a和52b的頂點所限定部位，環形腔64是由管子62的外表面和圓柱形區段44的內表面構成的，詳情下述。
洩出管66從鬥形部分42的底端伸出連到密封罐68上，而密封罐又由管69與外殼18的後壁相連，管69與外殼18後壁上的開口對齊。從旋風分離器14循環回來的細碎粒子通過管69循環回到殼體內，這將在下面詳述。
蒸汽鍋筒32通過下氣道38和支管38a和38b連到下環形集汽管48上，從蒸汽鍋筒32出來的流體經下氣道38在重力作用下到達管38a和38b，然後通過自然對流沿管38a和38b往上到達環形集汽管48並且通過自然對流經過旋風分離器14的管子52。雖然為了便於表示而在示意圖上沒有畫出，但還是可以理解，燃爐部分12的出口18a是通過適當的氣道、外殼或類似的裝置連到旋風分離器14的進口60的。帶有細碎粒子物質的煙氣從外殼18進入旋風分離器的環形腔64，顆粒物質在環形腔內建立的離心力的作用下按常規方式從煙氣中分離出來，分離後的煙氣由對流作用在旋風分離器14內上升，而後由管62排出，雖然為便於表示而在圖中未畫出，還是可以理解，旋風分離器14的管道62通過導管或類似的連接裝置而與熱回收部分的上半部分形成的入口連接，這在下面將加以敘述。
熱回收部分16包含一個外殼70，外殼壁是由許多管子組成的，它們的連接方式同上面描述的外殼18的殼壁連接方式相同。構成熱回收面積的上下壁的端部連到上述的包括蒸汽鍋筒32在內的流體管線，例如，導管74通過支導管74a和74b連到旋風分離器14的上環形集汽管50上。分別置於熱回收部分16的前壁上端和後壁上端的兩個集汽管76各自通過支導管74c和74d連到導管74上。由許多未熱交換管構成的一對初級過熱器80a和80b，一對末級過熱器82a和82b以及一對節熱器84a和84b都置於殼體70內並且都與集汽管88相連。很容易理解，集汽管88與上述包括蒸汽鍋筒32在內的管線或與蒸汽渦機相連接，或者與這兩者都連接。
構成殼體前壁上端的管子彎出殼體壁表面形成進口70a，來收集從旋風分離器14的管子62出來的氣體。
氣體按圖1虛線所示流進殼體70，在殼體70內氣體依次通過過熱器80a，80b，82a，82b以及節熱器84a和84b。如圖中虛線所示，在殼體70的後壁有一出口70b，用以洩出氣體。
從旋風分離器14內析出的固體細顆粒經過分離器鬥形部分42穿過洩出管66進入密封罐68並經導管69最終注入殼體18。
在操作過程中，從入口24來的細碎粒燃料引入殼體18，如果需要，吸附劑原料也可按類似方式引入。從外部壓力源來的壓力空氣穿過壓力通風系統20，空氣分配器22而進入殼體18使顆粒原料流態化。設置有一個點火燃燒器(圖中未示出)或類似的裝置來點燃顆粒燃料，當燃料溫度達到相當高的程度時，更多的燃料就會從進口24進入殼體18。殼體18內的燃料被燃爐部分12的熱量加熱燃燒或氣化，空氣與燃燒形成的氣體混合氣(以下均稱之為煙氣)向上穿過殼體18時，從18內帶走或淘選出細碎粒原料。進入的空氣經過壓力通風系統20，空氣分配器22到達殼體18內的速度要根據殼體18內細碎粒原料的大小能形成循環流動的流態化床而確定，即細碎粒原料的流態化程度要達到流動的氣體，能攜帶或淘分原料的程度，因而煙氣進入殼體18的上部時帶有的細粒基本上已達到飽和。飽和的煙氣穿過殼體18的上部通過出口18a洩出，隨即通過導管(未示出)到達分離器14的進口60，如圖1中虛線所示。進口60的布置要能使帶有細顆粒的煙氣大體上沿切線方向進入，腔室64形成旋轉氣流。流體中央帶的固體碎粒在離心力的作用下撞向園柱形區段44的內壁，集聚並由重力作用下落進入鬥形部分42。相對來說仍滯留在腔室64內比較純淨的氣體向上流動時被上頂部分40擋住，因而從管62的下端進入管內，並流經管的全長從管的上端部流出，接著氣體穿過導管(未示出)到達熱回收部分16的進口70a並向下經過外殼70的全長並通過過熱器80a，80b，82a和82b及節熱器84a，84b後，由出口70b流出通向外部設備。
集聚在蒸汽鍋筒32內的流體分離為液體和蒸汽，相對較熱的流體-蒸汽由自然對流的作用上升到達蒸汽鍋筒的上部，而相對較冷的流體-液體沉降在鍋筒的下部。鍋筒上部的蒸汽通過管子38，38a和38b進入旋風分離器14的下環形集汽管48並由對流作用向上經過許多平行布置的管子52，由於蒸汽的溫度低於旋風分離器14的溫度，更具體說是低於分離器內的煙氣溫度。這樣，分離器的溫度得以下降。蒸汽由上集汽管50所集聚並經過管子74a，74b，74，74c和74d到達熱回收部分16的集汽管76。隨即蒸汽向下經過構成外殼70的壁的全長到達下集汽管(未示出)，下集汽管是與包括蒸汽鍋筒32在內的管線連接的。分離器中分離出的細碎顆粒經過鬥形部分42、管66，密封罐68再通過管69注回進入外殼18內的流態化床內。從蒸汽鍋筒出來的蒸汽向下通過分離器14的下端隨即又向上通過許多根平行布置的管子52再通向熱回收部分。
圖3，圖4的兩個實施例與圖1和圖2中所示的實施例是類似的，並包含有相同的部件，故標出的位號也相同。圖3所示的實施例中，位於分離器14下部的環形集汽管分隔成兩個單獨的區域48a和48b，從蒸汽鍋筒32上部出來的蒸汽向下穿過下氣道38隨即又向上通過支導管38a到達環形集汽管區域48a，從該區域蒸汽又向上穿過大體上構成左半部分分離器14的平行管子52(參閱圖3)，位於分離器14上部的環形集汽管也分隔為兩個單獨的區域50a和50b，分別與構成分離器14的左半部和右半部的多根平行管子52相連接，因此向上穿過構成分離器左半部的管子52的蒸汽進入環形集汽管區域50a又經過導管74′進入環形集汽管區域50b，隨後再向下通過構成分離器14右半部的管子52到達下環形集汽管區域48b並從該區域通入支導管38b。一根上升管75是與支導管38b相連接的，它還包含支管75a和75b，它們各自與熱回收部分16的集汽管76相連接，因而使蒸汽流經外殼70的壁部，這已結合前面介紹的實施例作了描述。因而，按照圖3的實施例，蒸汽先是向下通到分離器14的下部，向上經過分離器的一部分，隨即又向下經過分離器的另一部分，再向上通往熱回收部分16，最後向下穿過熱回收部分流出。
按照圖4的實施例，兩個下環形集汽管區域48a和48b是與分離器14的管子52的下端流體上溝通這已結合上述的實施例作了敘述，兩個上環形集汽管區域50a和50b是與分離器14的管子52的上端流體上溝通的，按圖4的實施例，導管90伸出於蒸汽鍋筒32的上部並通過支導管90a，90b分別與環形集汽管50a50b相連接，導管92通過支導管92a和92b分別與下環形集汽管區域48a和48b相連接，導管92也過支導管92c與92d分別接到熱回收部分16的集汽管76上。
按圖4所示實施例，蒸汽從蒸汽鍋筒32的上部流出，通過導管90，支導管90a和90b分別進入上環形集汽管區域50a和50b，蒸汽從上環形集汽管區域50a流出，向下通入構成分離器14左半部的多根管子52，而從上環形集汽管區域50b流出的蒸汽向下通入構成分離器14右半部的多根管子52，如圖4中所示，下環形集汽管區域48a和48b分別與構成分離器14的左半部和右半部的管子52相連通，然後又分別通過支導管92a和92b通向上升管92。因而，蒸汽是向下通過分離器14的全部長度後進入下集汽環區域48a和48b，再經過支導管92a和92b後向上流經上升管92及支導管92c，92d到達熱回收部分16的集汽管76的。很多優越性都是來源於本發明，例如，由於相對較冷的流體流過分離器14的壁即使得分離器的溫度明顯地下降，因而分離器14的熱損失也減少了，並且對內層耐熔材料的需要也減少到最小限度。分離器14的體積、重量和費用與常規分離器相比也少得多，起動及完成負載變化也相對快得多。此外，對反應器(燃爐部分)與旋風分離器之間、旋風分離器與熱回收部分之間的昂貴的高溫耐熔材料襯裡的管道和膨脹連接管的需要也大大減小了。更進一步看，流體的過熱以及控制流體溫度範圍的能力也都得到改善。
很容易理解，在本發明範圍內對上述內容可以有許多變化，例如分離器14的內管62也可以用如同分離器14的管子一樣由多根管子組成，而分離器14的管子可以與包括蒸汽鍋筒32在內的管線相連接，同樣，雖已對環形集汽管48和50作過敘述並在圖中表示出來，很容易理解，任何另外適用的集汽管的配置也可以在本發明中得到應用。
權利要求
1.一種流態化床蒸汽發生系統，包括(A)一個燃爐部分，它包括(1)一個裝納包含有燃料的固體細粒原料的外殼；(2)一個向上述外殼輸入空氣的裝置，輸入的空氣速度能足以使上述細碎粒原料流態化並使上述燃料維持燃燒或氣化以產生帶有部分上述細碎顆粒原料在外殼內上升的煙氣；(B)一個旋風分離器，它包含(1)一個內圓筒；(2)一個圍繞上述構成腔室的內圓筒的外殼體，所述外殼包括(a)多根相互平行設置的管子；(b)連接上述管子以形成氣密結構的構件；(c)一個熱回收部分，它包含(1)一個外殼，它包含(a)多根相互平行設置的管子；(b)連接上述管子以形成氣密結構的構件；(2)在上述外殼內設置的多股束狀管道；(D)使上述煙氣從上述燃爐部分通往上述藉助於離心力以分離煙氣中所帶有的細碎粒原料的腔室的裝置；(E)使分離出的細碎粒原料從上述分離器反向通入上述燃爐部分的裝置；(F)使分離後的煙氣通往上述熱回收部分的裝置；和(G)流體流動的管路裝置，它包含(1)一個蒸汽鍋筒；(2)用以連接上述蒸汽鍋筒與上述構成分離器外殼體的管道的裝置，它使蒸汽通過上述外殼體使分離器冷卻；(3)用以連接構成上述外殼體的上述管子與上述熱回收部分的管子的裝置，它使通過熱回收部分管子的流體被分離後的煙氣所加熱。
2.按權利要求1所述蒸汽發生裝置，其特徵在於，其中所述旋風分離器包含有一個圓柱形區段，一個鬥形部分及一個頂部，各自與上述圓柱形區段的兩端相連接並由上述的多根管子構成。
3.按權利要求1所述蒸汽發生系統，其特徵在於，其中所述構成上述旋風分離器的外部圓柱段的管子彼此有一定間距，並且上述外部圓柱段還包含有多個順管子的縱長方向延伸的肋片並各自與相鄰的管子連接構成氣密結構。
4.按權利要求1所述蒸汽發生系統，其特徵在於，其中所述使上述蒸汽鍋筒與構成上述旋風分離器的外部殼體的上述管子相連接的裝置包含有一個第一環形集汽管，它與構成上述旋風分離器外部殼體的上述管子的下端連接並保持流體溝通;一個第二集汽管，它與構成上述旋風分離器外部殼體的上述管子的上端連接並保持流體溝通。
5.按權利要求4所述蒸汽發生系統，其特徵在於，其中所述使上述蒸汽鍋筒與構成上述旋風分離器外部殼體的上述管子相連接的裝置還包含有使上述蒸汽鍋筒與上述第一環形集汽管相連接的導管裝置，用以使蒸汽向上通過構成上述分離器的外部殼體的上述管子。
6.按權利要求4所述蒸汽發生系統，其特徵在於，其中所述使上述旋風分離器外部殼體的管子與上述熱回收部分相連接的裝置包含有使上述第二環形集汽管與上述熱回收部分的上述管子相連接的導管裝置。
7.按權利要求4所述蒸汽發生系統，其特徵在於，其中所述第一環形集汽管及第二環形集汽管各自構成兩個區域並分別與構成上述旋風分離器外部殼體的部分上述管子相連接，並且其中所述使上述蒸汽鍋筒與上述管子相連接的裝置還包含有使上述蒸汽鍋筒與上述第一環形集汽管的一個區域連接的導管裝置，用以使蒸汽向上通過部分上述的管子進入上述第二環形集汽管的一個區域。
8.按權利要求7所述蒸汽發生系統，其特徵在於，其中所述使上述蒸汽鍋筒與構成上述旋風分離器的外部殼體的上述管子相連接的裝置還包含附加的管道裝置，它用以使上述第二環形集汽管的一個區域與它的另一個區域相連接，使得上述蒸汽向下通過上述另一部分管子進入上述第一環形集汽管的另一區域。
9.按權利要求7所述的蒸汽發生系統，其特徵在於，其中所述使構成上述旋風分離器外部殼體的上述管子與上述熱回收部分的管子相連接的裝置包含有使上述第一環形集汽管的另一區域與上述熱回收部分的管子相連接的導管裝置。
10.按權利要求4所述蒸汽發生系統，其特徵在於，其中所述使上述蒸汽鍋筒與構成上述旋風分離器外部殼體的上述管子相連接的裝置還包括有使上述蒸汽鍋筒與上述第二環形集汽管相連接的導管裝置，用以使蒸汽向下通過上述的管子。
11.按權利要求10所述蒸汽發生系統，其特徵在於，其中所述使構成上述旋風分離器外部殼體的管子與上述熱回收部分的管子相連接的裝置包含有使上述第一環形集汽管與上述熱回收部分的管子相連接的導管。
12.按權利要求4所述蒸汽發生系統，其特徵在於，其中所述第一環形集汽管與第二環形集汽管各自構成兩個區域並分別與構成上述旋風分離器外部殼體的部分上述管子相連接，並且其中所述使上述蒸汽鍋筒與上述管子相連接的裝置還包含有使上述蒸汽鍋筒與上述第二環形集汽管的每一區域相連接的導管裝置，以使蒸汽向下通過上述管子至上述第一環形集汽管的每一區域。
13.按權利要求12所述蒸汽發生系統，其特徵在於，其中所述使構成上述旋風分離器外部殼體的上述管子與上述熱回收部分的管子相連接的裝置包含有使上述第一環形集汽管的各腔與上述熱回收部分的管子相連接的導管裝置。
全文摘要
一種液態化床蒸汽發生系統，其中在燃燒爐部分與熱回收部分之間設置有一個旋風分離器。旋風分離器的外壁設置有許多根匯集來自蒸汽鍋筒的流體的管子，流體在通向熱回收部分之前流過旋風分離器的外壁使外壁得到冷卻。
文檔編號B04C5/20GK1049551SQ9010704
公開日1991年2月27日 申請日期1990年8月17日 優先權日1989年8月18日
發明者伊格伯爾·法贊利伯爾·阿布杜拉利, 阿爾弗萊德·斯·託馬, 彼得·巴特考威克 申請人:福斯特·惠勒能源公司