包括有分離器-冷卻器的流化床反應器及其操作方法

2023-05-05 09:16:11

專利名稱：包括有分離器-冷卻器的流化床反應器及其操作方法
技術領域：
本發明涉及一種流化床反應器及其操作方法，更具體地說，涉及這樣一種流化床反應器，它包括一位於其鄰近的分離器-冷卻器，用來控制床料的循環與溫度。
燃燒器、蒸汽發生器等之類的反應器是利用流化床作為主要的熱發生源的。在這類裝置中，是讓空氣通入此反應器的加熱爐段，然後通過一其中裝有粒料的床，此種粒料包括煤一類的化石燃料與石灰石一類用以吸附因煤燃燒所產生的硫的吸附劑二者的混合物。上述空氣使床流化，促進燃料的燃燒。當這種反應器是用作蒸汽發生器時，由燃料燃燒所產生的熱則被用來把水轉變為蒸汽。流化床反應器把高放熱、高的硫吸收、低的氮的氧化物排出物與燃料的機動性，作出了引人注意的結合。
最具代表性的流化床燃燒系統乃是一般稱作為「鼓泡式」的流化床，其中緻密粒料的床由一空氣分配板支承，而助燃空氣即通過此板上的一批孔引入到流化床中，導致粒料膨脹，取懸浮成流化態。上述空氣的速度一般為用來形成一可支承床重的壓力降時所需速度之二至三倍(例如最低的流化速度)，以促使能形成通過此床上升的氣泡，產生一沸騰液體的外觀。
為了進一步改進由鼓泡床所提高的燃燒效率、對汙染物排出的控制和所簡化的操作，曾開發過這樣一種流化床反應器，利用了一般稱之為「循環式」流化床的膨脹與淘析流化床。在這類裝置中，與那種鼓泡床相比，粒料的粒度減小和/或平均空氣速度增加，使得床的表面更具擴散性，而從床中帶走的固體物便增多。根據這種方法，在加熱爐段的下部，就達到了相當地低於鼓泡流化床典型密度的流化床密度，而在加熱爐段的上部，它所加載的帶入的粒料或固體物則遠多於鼓泡流化床的情形，此加熱爐段上部所增多的帶入的固體物就會造成很高的固體物料通過料，而需有很高的固體物料回收率。能具有很高固體物料回收率的反應器則需用大型和價格昂貴的分離器，以便在熱的已燃氣體中通過一廢熱器回收區之前，從此種氣體中分離出所帶入的固體物料，而減少對廢熱回收區中熱回收表面的涮蝕。這些分離出的固體物料則返回到流化床中。
委託給本申請同一代理人的美國專利4809623與4809625號公開了一種流化床反應器，其中是將一緻密的或鼓泡式流化床保持在加熱爐段的下部，而在其它方面，這種床則是作為一種循環流化床來運行的。此種設計在於兼具鼓泡式床與循環式床兩者的優點，而還有一個較顯著的優點則是，能夠利用較大範圍粒度的粒狀燃料。
在以上種種設計中，粒狀燃料與吸附劑兩者的均勻混合物形成了一部分未燃燒的燃料粒、一部分只是部分燃燒的以及一部分完全燃燒的燃料粒。與此類似，一部分吸附劑是未反應的，一部分只是部分起反應的，而一部分是完全起反應的。為了適應新燃料與新吸附劑的引入，必須從有關系統中將這樣一些粒狀料有效地排出。為此目的，通常是從流化應下部，通過一排出管將一部分粒料從反應器排出來加以除去。
但是已經認識到，通過使部分這種排出的粒料再循環回到加熱爐段，就能夠有效地控制流化床中粒度分布這樣一個重要的工作參數。這一般是用以下方法來實現的，即把空氣吹送過所排出的粒料，除去並帶走這種粒料中的較細部分，然後再把它們返送回加熱爐段。
例如，在委託給本申請同一代理人的專利4829912號中，已公開了一種在流化床反應器中控制粒度分布的方法，其中用空氣流來帶走從管道中所排出粒料內的較細部分，再使之循環回加熱爐段。在這類裝置中，不作再循環之粒料的熱能夠投入生產中利用，例如預熱助燃氣體或是用於重熱或過熱工作。
設置於此反應器加熱爐段鄰近處的分離器-冷卻器，既能完成所除去的粒料中較細部分的再循環，又能從所除去的但不作再循環的粒料中將熱排出。在這類裝置中，分離器-冷卻器從加熱爐段接受粒料，而空氣則從此分離器-冷卻器的第一段通過，除去或帶走粒料中的一些較細部分，而它們則又返回到加熱爐段。分離器-冷卻器中剩餘的粒料然後通常經過一冷卻段，在此冷卻段，於粒料排出相應系統之前，藉助使取熱交換關係的水/蒸汽或使空氣通過這種粒料，將粒料中的熱取出。當採用空氣來除去不作循環之粒料中的熱時，這種空氣通常即返回到加熱爐段作為預熱的助燃空氣。
但在某些情況下，例如當採用了會生成過量較細灰粉的燃料，或當燃料具有較高含硫量而必須採用相當大量的較細吸附劑時，那些分離到分離器-冷卻器中並返回到加熱爐段內的較細粒料，就會使加熱爐段這種細粒料的體積或上部的加熱爐載荷，增加到一個不能接受的水平。過量的上部的加熱爐載荷就需要較大型和較昂貴的分離器-冷卻器與分離裝置，同時/或者要求此加熱爐在一低的化學計量條件下運轉，而這是低效率的。
當用來冷卻分離器-冷卻器中冷卻器段內粒料的方法是靠將空氣吹過粒料時，上述上部的加熱爐載荷就會更不利。為了實現高的冷卻速率和防止粒料在分離器-冷卻器中結塊，上述空氣的速度與通過冷卻器段的流率必須相當高。但是，高的空氣速度和流率就會夾帶更大量的粒料，而當把這種空氣用作助燃空氣時，便導致有更多的細粒料返回加熱爐段，而進一步增加上部的加熱爐載荷。
此外，這種分離器-冷卻器通常是以連續方式工作，亦即床料是從反應器連續加入到分離器-冷卻器中的。這樣就使得粒料在分離器-冷卻器中只有較短的滯留時間，而導致殘留的可燃物堆聚於最終要從系統中排出的床灰之內。
這種分離器-冷卻器還會帶來另一個問題，特別是當它們取分隔形式，涉及到處理較大的粒狀燃料如廢料與錯配料等時。更具體地說，這些大的粒料常會集聚在加熱爐段中流化床的下部，因而其中的絕大部分是不會循環通過分離器-冷卻器的。同時，這些通向分離器-冷卻器較大料還會因分離器-冷卻器中有隔牆而堵滯或卡塞。
為此，本發明的第一個目的在於提供一種流化床反應器，以及一種方法，其中從此反應器加熱爐段排出粒料並使之通至一分離器-冷卻器。
本發明的第二個目的在於提供上述類型的一種流化床反應器與方法，其中，有選擇地和周期性地從此反應器中通過分離器-冷卻器來排除粒料。
本發明的第三個目的在於提供上述類型的一種流化床反應器與方法，其中，與粒料是連續地通至分離器-冷卻器的那些裝置相比，能提高粒料在分離器-冷卻器內滯留時間。
本發明的第四個目的在於提供上述類型的一種流化床反應器與方法，其中，殘餘的可燃物已自分離器-冷卻器的床灰中燃燒淨。
本發明的第五個目的在於提供上述類型的一種流化床反應器，其中較大的粒料從反應器的加熱爐段引向分離器-冷卻器，而從此分離器-冷卻器排出。
本發明的第六個目的在於提供上述類型的一種流化床反應器，它有一個延伸通過加熱爐段及分離器-冷卻器的斜向柵架，用來支承流化床料並把此床料導向分離器-冷卻器。
參考下面附圖對本發明當前屬最佳的但仍只是起解釋作用的實施例所作的詳細描述，當可全面地理解上面的簡單描述以及本發明的其它目的、特徵與優點，在附圖中

圖1是本發明的流化床-反應器與分離器-冷卻器的剖面圖;
圖2是沿圖1中2-2線截取的橫剖面圖;
圖3是沿圖2中3-3線截取的橫剖面圖。
下面描述本發明的最佳實施例。
圖1示明了本發明的流化床反應器，它以參考數號10標明。此反應器10包括一加熱爐段12、分離段14以及一熱回收段16，它們都以橫剖面形式給出，並將內部元件除去，便於顯示。
參照圖1與2，加熱爐段12是由前壁18、後壁20與兩堵側壁22和24界定。相對於壁20按平行分開關係設有兩堵壁26與28(圖1)，並由壁20與26界定出分離段14，由壁26與28界定熱回收段16。在加熱爐段12內設有一地板30，並在此加熱爐段12、分離段14與熱回收段16三者的上方跨設有一頂板32。還應理解到，儘管圖中未予示明，分離段14與熱回收段16還都設有側壁，而這些壁可以是側壁22與24的延伸部。
壁20與26的上部分別開有孔20a與26a，得以使加熱爐段12產生的煙道氣，如將予說明的那樣，從此加熱爐段通入分離段14內，並從此分離段通到熱回收段16。
應該認識到，要是反應器10是用於蒸汽發生目的，則壁18、20、22、26與28應由取平行、氣密方式的一批熱交換管形成，以載運水之類的待加熱流體，上述這批管示意於圖1，用參考數號34標明。須知有一批集流管(未示明)設在各堵壁18、20、22、24、26和28的兩端上，它們與其它的管和有關的流路一起，有效地使水依常規方式迂迴地通過反應器的內部並進出於一汽包(未示明)。為便於表示，以上部件均在圖中略去。
一般以參考數號36標明的粒料床即設置在加熱爐段12內，置放於一在加熱爐段下部中延伸的柵架或多孔板38上。板38從壁22朝下斜向後壁24，並如後面將詳述的，通過此後壁24中所形成的一個孔。
床36由煙煤之類的分散粒狀燃料構成，它們由一加料機或類似裝置依任何周知方式引入到加熱爐段12內。應知可按類似方式將石灰石之類的硫吸附料引入到加熱爐段12內，這種材料吸收著由燃燒著的煤所產生的硫。還應認識到，通過壁18在板38的緊上方設有一個床用點火燃燒器(未示明)，用來在起動時引燃床36的一部分。
板38與地板30之間確定出一壓力通風系統40，通過一風閘41控制下的空氣管道41，接收來自外部氣源的加壓空氣。有一批噴嘴42通過開設在板38上的孔，用來把壓力通風系統的空氣送入床36中。這批噴嘴42是把此種空氣按一朝向後壁的方向引導，理由見後。
通過床36的上述空氣使該床流化以促進燃料的燃燒，並與燃燒產物結合成因加熱爐段12中的對流作用而上升的煙道氣。這種煙道氣則在經孔20a通入到分離段12之前，夾帶加熱爐段12中的一部分較細粒料。
分離段14包括一旋風分離器14a，它依通常的方式分離出煙道氣中所夾帶的上述粒料。經分離過的煙道氣便通過壁26中的孔26a至熱回收段16，而上述分離出的粒料或分離出的固體物則進入分離段14的一漏鬥部14b中。須知可在熱回收段16中設置過熱器、重熱器或類似的一或多個熱交換裝置，用來當已分離過的煙道氣向下通入熱回收段16在其經由壁28上的出口28a排出之前，從此煙道氣中除熱。
有一從分離段14的漏鬥部14b延伸到加熱爐段12壁部20中孔20b的浸入管44，將上述分離出的固體物反送回床16。浸入管44有一U形部，形成一J形閥44a，以防粒料和/或氣體直接從加熱爐段12回流到分離段14，應知此J形閥44a可由能防止上述回流的L形閥，密封釜、整體式循環熱交換器或其它裝置替換。
參看圖2與3，在加熱爐段12的側壁24鄰近有一分離器-冷卻器46。此分離器-冷卻器46呈一般的矩形，由前壁48、後壁50、兩側壁52和54(圖3)、地板56與頂板58界定。須知當此反應器10是用於蒸汽發生目的時，壁48、50、52與54則如前面所述，將由一批熱交換管結合一批集流管與相應流路形成。
正如前面討論過的斜向的多孔板38，它貫通過加熱爐段12，並通過壁24中的一個。如圖2所示，板38再行通過壁48，進入分離器-冷卻器46內，與地板56成相分開的關係。另有一批噴嘴42通過板38在分離器-冷卻器46的這一部分上的孔。
有一垂直隔板60從板38延伸到地板56，在其間界定出兩個壓力通風系統62a與62b。導管64與66分別與此壓力通風系統62a和62b溝通，這兩個導管接收來自外源的空氣一類氣體，用來控制流向此種壓力通風系統的空氣流與其中的壓力。導管64與66分別設有兩個控制閘64a與66a，以對進入壓力通風系統62a與62b的氣流與其中的壓力進行獨立的控制。
由板38位於分離器-冷卻器46中的那部分所支承的噴嘴42，取一個把空氣排入到板38上方流化床中的方向，並朝向一延伸過板56中的孔並位於板38端部與壁50之間的排出管70。排出管70中設有一閥門70a，控制通過此管道的灰塵與粒料流。排出管70包括一作曲折延伸的支管72，便於除去聚集在分離器-冷卻器46中的床灰與粒料。
斜管78連通著形成在加熱爐段12側壁24上與分離器-冷卻器46側壁48上的上述孔，以使加熱爐段12的床36中的粒料通入到分離器-冷卻器46中。為此目的，設有一批空氣管道80(圖3)通過斜管78的兩相對側壁，以便將空氣輸入此斜管中，促進通過此斜管而進入分離器-冷卻器中的粒料流動。有一取斜向的通風管82連通著另外形成在加熱爐段12側壁24上與分離器-冷卻器46之相鄰壁上相應的兩個孔，此通風管在斜管78之上並與之分開。通風管82把空氣與來自分離器-冷卻器46中任何夾帶的細粒料，在此空氣通過分離器-冷卻器46中粒料之後，一道送至加熱爐段12。
運行中，粒狀的燃料與吸附劑引入到加熱爐段12內並聚集於板38(圖1)上。來自外部源的空氣經空氣導管41通入壓力通風系統40，通過板38與噴嘴42而進入到此板上的粒料中，使床36流化。
用點火式燃燒器或類似裝置(未示明)點燃床36中的粒狀燃料。當床36中的燃料溫度達到一預定水平時，便將另外的粒料連續地加到床36的上部。用風閘41a控制促進燃料燃燒之空氣的速度，使之超過床36的最低流化速度，以形成鼓泡、循環或混合式的流化床。
當燃料燃燒而吸附劑粒料在加熱爐段12中起反應時，經噴嘴42連續流放的空氣形成了下述粒料的一個均勻流化床，此種粒料包括不燃燒的燃料、部分燃燒的燃料與完全燃燒的燃料以及未反應的吸附劑、部分反應的吸附劑與完全反應的吸附劑，由於板38的傾斜形式以及此有向空氣噴嘴42在加熱爐段12朝向後壁24的作用，粒料就會因重力作用而流向壁24中的孔，並通過此孔與斜管78而進入分離器-冷卻器46。
空氣與氣態的燃燒產物向上通過床36，夾帶或淘選此床中的較細粒料。最終形成的煙道氣混合物，則在其經孔20a從加熱爐段12排出之前，借對流而向上進入此加熱爐段，然後進入分離段14。旋風分離器14a按常規的方式從此煙道氣中分離所夾帶的粒料。這些分離出的粒料或分離出的固體物則借重力落入漏鬥14b中，並從這裡通過浸入管44返注回床36中。較清潔的煙道氣則通過孔26a進入熱回收段16，並在經出口28a自該反應器排出之前通過段16。
分離器-冷卻器46最初是不含粒料的，而當需要對它充料時，可啟動空氣管道80將空氣排入斜管78，促進加熱爐段12的床36中的粒料經斜管78流向分離器-冷卻器46。這同從噴嘴42朝向分離器-冷卻器46定向排出的空氣相結合，確保了加熱爐段12中較大粒料能輸送到分離器-冷卻器46。一旦此分離器-冷卻器46為來自加熱爐段12的粒料所充填，經空氣管道80到上述斜管78的空氣即被截止。來自導管64的另一股空氣在風閘64a的控制下引入到壓力通風段62a內。這股空氣向上通過板38並通過噴嘴42，使流入分離器-冷卻劑46中的粒料流化。風閘66a按需要控制成將空氣經由導管66引入壓力通風段62b。這股空氣也向上通過板38與噴嘴42，使分離器-冷卻劑46中的粒料進一步流化。經導管64與66進入分離器-冷卻器46中之空氣，分別受到風閘64a的嚴格控制，而由之去控制粒料流入分離器-冷卻器46的程度、此種粒料的流化程度與它最終形成的高度、以及為空氣所夾帶因而從較粗粒料中分離出去的較細粒料量。此空氣與所夾帶的細粒經由通風管82，向上通過分離器-冷卻器46而返回到加熱爐段12。
在上述方式下經導管64與66引入分離器-冷卻器46中的空氣，除去了其中粒料中所含的熱量，促使未經分離的較粗粒料流向排出管70。此空氣的速度、因而流入分離器-冷卻器46中粒料的程度、此種粒料在其中流化的程度以及在其中所形成的高度均可通過改變風閘64a與66a的位置分別按要求控制到所需程度。
在排出閥70a打開來將粒料從分離器-冷卻器46排出之前，可允許粒料在分離器-冷卻器46中停留一段預定的較長時間。
據此可以看到，本發明的此種裝置能夠提供一系列優點。例如可以用一種較小型的分離器-冷卻器來實現流化床加熱爐中粒料的再循環，這是因為由於從其加熱爐段除去了某些粒料，並儲存於分離器-冷卻器內而後從其中排出，這樣便防止了它們再循環回加熱爐段，從而便減小了再循環的流量。此外，由於從分離器-冷卻器再循環回加熱爐段的粒料量可以減少，因而便不會加大此反應器上部加熱爐段的載荷，這樣就能改進反應器的化學計量條件，同時可減少為使夾帶的粒料從煙道氣中分離出去所需分離段的尺寸與費用。
此外，由於能夠減少從分離器-冷卻器再循環到加熱爐段的那種所夾帶的粒料量，就能提高進入分離器-冷卻器中的空氣流量與速度，用以防止粒料在分離器-冷卻器中積聚，同時能提高分離器-冷卻器的冷卻效率。
再有，任何較大的粒料，例如廢料與錯配料等，都被轉送至此分離器-冷卻器，最終從反應器中排出。
最後，與連續式的循環作業相比，這裡通過間歇式循環作業方式，分離器-冷卻器中的固體物料就能在較高的溫度下保持一段較長的時間。這樣便又能有較長的滯留時間，用來燃燒床灰中的各種殘餘可燃物和燃燒分離器-冷卻器中的粒料。
在以上所公開的內容中，預計是可以作出種種變更與置換的，而在某些情況下，是可以利用到本發明的某些特徵而不相應地利用其它之特徵的。因此，理應認識到，後附權利要求書應在廣泛意義下和與本發明範圍相一致的方式下理解。
權利要求
1.一種流化床反應器，它包括一加熱爐段；一個設置在此加熱爐段鄰近的罐狀件；一根連通著此加熱爐段與罐狀件的導管；一塊從此加熱爐段起，經上述導管而進入罐狀件內的板；用來在上述加熱爐段的這塊板上形成初始粒料的床的裝置；用來讓空氣通過上述加熱爐段中的這塊板與粒料，以使此種粒料流化的裝置；用來促進上述粒料從加熱爐段經導管流向罐狀件的裝置；以及用來使空氣通過上述板和罐狀件中的粒料以冷卻此種粒料並帶走此罐狀件較細粒料的裝置。
2.如權利要求1所述的流化床反應器，它還包括有用來從上述罐狀件中排出所說粒料的裝置。
3.如權利要求1所述的流化床反應器，它還包括有處於所說罐狀件上部的導管裝置，允許前述的空氣與罐狀件中夾裹的細粒料通入到該加熱爐段。
4.如權利要求1所述的流化床反應器，其中，所說的促進裝置包括依下述方式來支承前述板的裝置，亦即使這塊板從前述加熱爐段朝下傾斜至該罐狀件;
5.如權利要求1所述的流化床反應器，其中，所說的促進裝置包括有用來將空氣排入前述導管並朝向該罐狀件的裝置。
6.如權利要求4所述的流化床反應器，其中，所述的讓空氣通過的裝置包括一批由所說板支承的噴嘴，用來接受空氣並將此空氣注入到該板上方的一個區域中;且其中所說的促進裝置包括與這批噴嘴相關聯的裝置，用以接收前述空氣，並將此空氣依一朝向該罐狀件的方向排送。
7.如權利要求6所述的流化床反應器，它還包括有裝置用來終止空氣流入上述罐狀件與導管，以便終止粒料的流動。
8.一種用來操作一種流化床反應器的方法，它包括如下步驟在一加熱爐段形成一初始的粒料床;使氣體通過上述加熱爐段中的粒料以流化此粒料;使上述粒料從所述初始床通過一鄰近此加熱爐段的罐狀件，以在其中形成一個次生的粒料床;在保持上述第一個通過步驟的同時終止所說的第二個通過步驟;以及將所說粒料從該罐狀件中排出。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所說的第二個通過步驟包括有提供一種柵架的步驟，用來支承前述的初始床與次生床，而此柵架是從加熱爐段朝該罐狀件傾斜。
10.如權利要求8所述的方法，其中，所說的第二個通過步驟包括有如下步驟使空氣對著所說粒料朝該罐狀件的方向排下。
11.如權利要求8所述的方法，它還包括有如下步驟使空氣通過前述罐狀件中的粒料並帶走此罐狀件中的較細粒料。
12.如權利要求11所述的方法，它還包括有使上述空氣與所帶走的較細粒料返回到加熱爐段的步驟。
13.一種操作流化床反應器的方法，它包括以下步驟使一加熱爐中包含有燃料的粒料床流化，將這種粒料的一部分通入到一輔助罐狀件中，並於其中儲存一段足以使所說燃料燃燒的時間，然後從此輔助罐狀件中排出所有的粒料，並終止所說的通過步驟。
14.如權利要求11所述的方法，它還包括有重新恢復通過步驟的步驟。
15.如權利要求13所述的方法，其中，所說的第二個通過步驟包括有如下步驟提供一柵架用來支承所說的初始床與次生床，並使此柵架從所說加熱爐段傾斜至所說罐狀件。
16.如權利要求13所述的方法，其中，所說的通過步驟包括使空氣對著所說粒料依朝向該罐狀件的方向排送的步驟。
17.如權利要求13所述的方法，它還包括有如下步驟使空氣通過所說罐狀件中的粒料，以冷卻此粒料和將較細粒料夾帶到前述輔助罐狀件中。
18.如權利要求17所述的方法，它還包括有如下步驟使上述空氣通過並使所夾帶的細粒料返回到所說加熱爐段中。
全文摘要
一種流化床反應器及其操作方法，其中一包括燃料的粒料床形成在一加熱爐段內。在此加熱爐段的鄰近設有一分離器-冷卻器，用來接收來自此加熱爐段內的粒料。此種粒料有選擇地通過此分離器-冷卻器，並在從該分離器-冷卻器排出之前冷卻。
文檔編號F23C10/26GK1086302SQ93118880
公開日1994年5月4日 申請日期1993年10月8日 優先權日1992年10月26日
發明者伊奎鮑·F·阿布德烏拉萊 申請人:福斯特·惠勒能源公司