专利名称：一种用于流化床反应器的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于流化床反应器中的方法和装置，这种方法和装置由下面给出的独立权利要求的前序部分中限定。
普通流化床锅炉的炉体包括一个呈矩形水平断面的内腔，它由四个侧壁、炉底和炉顶限定，在该内腔中，至少包含固体颗粒燃料的床料被从底部进入的气体流化，这些气体的大部分是锅炉内进行放热反应所需的一次空气。炉的侧壁通常具有引入(至少是)燃料和二次空气的导管。
炉的侧壁通常由翅片管排构成，燃料进行化学反应释放的热量用来使管内流动的水蒸发。锅炉中还常常布置过热表面，以进一步增加蒸汽的储能。
当建造高容量的锅炉时，就需要大的反应空间和若干个蒸发和过热表面。根据所需流化空气的体积和速度，锅炉的底部面积直接正比于锅炉的容量。由于细长的锅炉底部具有(至少是)结构上的缺陷，因此为了在侧壁上具有足够大的蒸发表面，必须增加锅炉的高度和底宽。锅炉高度的过分增加会导致结构问题，宽度的增加使燃料和二次空气的均匀供应更加困难。为了解决这些问题，可在锅炉内布置附加结构以增加锅炉的蒸发表面。
最常用的增加锅炉蒸发表面的方法是布置在从锅炉的一个侧壁向另一个侧壁延伸的隔墙上。这种布置公开在美国专利3736908中。为了保证锅炉内部各个部分物料和流程的均匀，在这种隔墙上必须布置专门的开口。然而，即使在隔墙上有很多的开口，在这种有隔墙的锅炉中也很难达到优化效率和使环境排放最少所需的均匀。这些问题在作为锅炉均匀运行关键点的锅炉的下角部处尤为明显。由于存在从一侧壁向另一侧壁延伸的隔墙，就不可避免地增加了这种角部的数量。
在复杂的几何流型中，蒸发管中的两相流动是一个难于控制的现象。从这一观点出发，与锅炉的侧壁不同，简单隔墙带来的一个问题就是热量是从两侧传给隔墙上的管中的。为使隔墙中的蒸发和水循环与锅炉侧壁内的蒸发平衡，隔墙中的管子就要比侧壁中的更大或是布置的更密。隔墙从锅炉的底部一直延伸到顶部，相对其高度来讲是比较单薄的，这样的布置很难使隔墙在较高的锅炉中达到足够的刚度。
已知现有技术给冷却隔墙提供了流化床锅炉运行所必需的各种元件。比如美国专利5678497和WO98/25074公开了将供应二次空气的装置固定在冷却隔墙上的布置。
除了隔墙，还知道在炉内有其它类型的、用来产生蒸汽和可能用于其它运行目的的炉内辅助结构。美国专利5070822公开了一种布置，其中在圆柱形的炉体中布置了同轴的圆柱形颗粒分离器，其外壳形成换热表面。在同样结构的下部还有向炉中添加燃料的装置。美国专利4817563公开了一种布置，其中在炉的下部布置了向上变尖的冷却结构，它覆盖了炉底的40-75％，用来供应二次空气和燃料。美国专利4947803公开了一种流化床反应器，其中布置了圆柱形接触式冷却元件。然而，所有这些布置都相当昂贵而且不适用于大型流化床锅炉，并且它们所提供的附加蒸发表面也不够多。
本发明的一个目的是提供一种用在流化床反应器中的新的、改进的方法和装置。
因此，本发明的一个目的就是提供一种新的技术解决方案，它可为各种规格的流化床锅炉提供蒸发表面，并可解决或减少以上提到的现有技术中的问题和不足。具体的一个目的是提供一种在大型流化床锅炉中布置蒸发面的系统。
本发明的另一个目的是提供一种能克服或减少上述问题的结构简单、费用合理的装置。
本发明的再一个目的是在流化床锅炉内提供辅助蒸发表面，使在所有蒸发表面上产生尽可能相同的蒸发工况。
本发明的又一个目的是提供一种流化床反应器，其中尽管布置了辅助蒸发面但在炉中仍有好的炉料混合及均匀的工况，并由此获得高的燃烧效率和减少排放。
根据本发明的用于流化床反应器的方法和装置的特征就是为了实现这些目的，这些特征将在独立权利要求的特征部分公开。
本发明具体适用于流化床锅炉。本发明将蒸发表面布置在流化床锅炉内，以使在炉中形成基本竖直的隔间。在本发明的说明书和权利要求书中，术语“隔间”定义成由壁面围成的结构，在该结构内形成一个基本封闭的气体空间。壁面通常是由翅片水管形成的平直水管排构成。在流化床锅炉中的隔间的高度大体上等于锅炉的高度，最好是炉高的至少80％。隔间最好是从炉底延伸到顶部，这样它可用来增强炉体。
当使用本发明的布置时，可在流化床锅炉的炉体内布置所需数目的隔间，因此锅炉的尺寸并不受所需蒸发表面的限制。比如，在小锅炉中可最好有一到两个根据本发明的隔间。大型锅炉中最好有若干隔间，如三、四、六、八，以至十个或更多的隔间。隔间可被一个在另一个之后地布置成两排或几排，或是根据具体情况布置成其它的、认为是最好的排列。根据本发明，流化床锅炉的蒸发表面最好有20-70％布置在隔间内，更好是40-60％。
本发明的隔间通常是两维截面型的，也就是其中两个相对的壁面彼此相距一个短距离。相对的蒸发表面的两侧基本上不被加热，只加热其另一面。因此，所有蒸发表面(包括锅炉侧壁和隔间壁面)的工况都大体相同。这样，隔间水管结构的尺寸可与锅炉外壁处的一致。这对蒸汽循环的布置和风险管理都有显著的优势，对于直流锅炉尤其是这样。
隔间内通常有一个内腔，它有几个用途。比如，由隔间结构强度所需的支撑结构可建在隔间内，这样，如果需要，隔间可造得相当高。布置在隔间内的支撑结构还可用来加强整个锅炉炉体的结构强度。
本发明的隔间通常具有这样的形状其截面在锅炉的大部分高度上是基本恒定的，最好在炉高的至少50％上是这样。然而，当将由流化床反应器或锅炉的多种功能所需的辅助结构布置在隔间的上部和下部时，隔间的形状也因此改变。
使用本发明流化床反应器的布置，流化床锅炉通常具有较多的蒸发表面，因此不必用隔墙将炉体分成几个单独的部分。除了分开的隔间，整个炉底是连续的。这样，炉内的过程(一般是指燃烧过程)不用分区进行，而床料在整个炉体的体积内几乎都能自由流动。
隔间的水平截面最好是凸形的，也就是，从隔间的内部看，相邻壁面之间的角度小于180度。另外，隔间最好与炉体的侧壁分开。这样，从炉体的方向看，隔间在炉体中不形成锐角(这对于混合可能带来问题)而都是钝角。因此，在大部分空间(即使隔间附近)内，颗粒都可自由的流动而基本不受限制。为了不限制颗粒在炉中的这种流动，隔间对角线最好不超过与其平行的锅炉对角线长度的60％，更好是不超过50％。
与流化床锅炉有关的其它结构和功能也可与本发明的蒸发隔间相连。最好是将供应二次空气的装置布置在隔间内。供应燃料和石灰石的装置也可布置在隔间内，在此，燃料和石灰在隔间内的传输最好是由气动进行，或是是利用倾斜布置的给料机进行。
即使在有些情况下使用圆形截面的隔间是有优势的，但隔间最好由平板状的水管排形成。隔间的截面较好的是多边形，更好是矩形。矩形截面可以是正方形，但最好是长方形，且长边和短边之比至少为2。长形断面的隔间是有利的，因为它可以在不明显增加炉底总面积的情况下提供很多的蒸发表面。为了在隔间内布置各种结构和设备，隔间的相对表面之间的距离较好不要小于0.5m，更好不要小于1m。
最好将颗粒分离器布置在流化床锅炉的一个或几个隔间内，在隔间的上部布置一个或几个开口，通过这些开口炉内产生的烟气和由其携带的床料能流入隔间的内腔。将一个碰撞式或旋风式分离器布置在隔间内，用来将烟气与所携带的床料分离。清洁后的烟气通过隔间的上部排走，分离下来的床料返回炉内。
根据本发明一个最佳实施例，装有颗粒分离器的隔间为正方形截面，来自锅炉的进口导管布置在靠近隔间角处的一个或几个侧壁上。最好是在正方形隔间的每个侧壁都有一个进口导管。
装有颗粒分离器的隔间也可以是长形截面，通过进气和排气开口，在一个隔间内形成挨着的两个或多个旋涡。在各旋涡之间可以有内隔板，或者是旋涡可在同一空间内。
最好在隔间的下部布置传热舱，比如，用来使蒸汽过热。热床料可以直接从流化床的周围、或从位于隔间内的颗粒分离器的回料通道进入传热舱。在隔间内布置传热舱就可以减少与锅炉侧壁相连的传热舱，这样可以空出更多的空侧壁表面用来(例如)引入燃料。
最好将过热表面(例如翼壁型wing-wall type过热表面)与隔间相连。在这种情况下，隔间内具有蒸汽连接管，过热蒸汽管从这里被引到隔间壁面的外部，也就是引到炉中，使该连接管与管排在靠近炉壁的地方连续向上延伸至位于炉顶上方的联箱内。
通过在锅炉中布置必需数量的单独隔间，用于燃料和二次空气的两个相邻引入点之间的距离可在各处达到一个理想的长度。因此，当使用根据本发明的布置时，即使是大型锅炉，也能用全新的方法实现均匀的工艺条件。
当使用根据本发明的布置时，即使是大型流化床锅炉，在不增加锅炉高度并不减弱床料混合程度的情况下，也可布置所需面积的蒸发表面。通过在本发明的隔间内添加辅助结构，能改善锅炉的刚度、床料和过程的均匀性，增加锅炉侧壁上的自由空间。
下面参看附图描述本发明，其中
图1是具有本发明的示例性隔间的循环流化床锅炉的垂直断面示意图；图2是图1所示锅炉的水平断面图；图3是本发明的示例性蒸发隔间的垂直断面示意图，其中安装了过热表面；图4是本发明的示例性蒸发隔间的下部垂直断面示意图，其中安装了换热舱；图5是具有本发明的示例性蒸发隔间的另一个流化床反应器的水平断面示意图，其中包括过热表面、换热舱和颗粒分离器；图6是具有本发明的示例性隔间的第三个流化床反应器的垂直断面示意图；图7是第四个流化床反应器的水平断面图；图1和图2示意性地描述了具有本发明的示例性结构的循环流化床反应器。锅炉1的主要部分是炉2和颗粒分离器3。炉2由侧壁4、炉底5和顶部6限定。炉2具有提供燃料和其它床料、如沙子和石灰的导管7。炉底具有使床料流化的空气供应装置8。炉的下部还具有供应二次空气的风管9。
燃料的燃烧由供入锅炉内的空气维持。灰与床料同流化空气与烟气一道经导管10排放进入分离器3，在此，大部分固体床料从烟气中分离并通过返回管11回到炉2的下部。
炉的侧壁4以公知方式由翅片管构成的水管排形成，图中未具体示出。燃料燃烧释放的能量用来蒸发侧壁水管中流动的水。
根据本发明，在炉中有从炉底延伸到炉顶的水冷壁形成的隔间12。隔间的壁面13是由水管排构成，其中的水管与炉底的给水管14和炉顶的联箱管15相连。在隔间内有向炉中心提供二次空气和燃料的示例性显示的装置16、17。
图2是图1所示流化床锅炉的水平断面图。图2和图1所示的流化床锅炉总共有9个隔间，主要分成两排。隔间的数量和位置可与在此给出的情况不同。比如，它们可能是1排或大于两排。
图2中隔间的截面是长方形的，其长边和短边的长度之比为3或5。该比例也可以为其它数值，甚至小于3或大于5。在某些情况下隔间的截面也可以是正方形的。
图2中的小隔间12a具有加强隔间刚度的结构18，大隔间12b具有特别为加强炉体刚度的大结构19。
如果需要，布置在炉内的隔间总数可在很宽的范围变化。例如，在小锅炉中可能具有一到两个隔间，而在大锅炉内可能有多于10个的隔间。
图3表示了翼壁型过热表面20是如何与例如位于图1所示流化床锅炉中的蒸发隔间12相连的。过热表面由排管组成，过热蒸汽从布置在蒸发隔间内的给汽管21流到布置在炉顶上方的联箱管22中。
如图4所示，传热舱30布置在蒸发隔间12的下部。热床料从炉2通过进口31流向该舱。由装置32维持舱中的低速流化，在此床料在传热表面33上冷却。床料通过舱下部的一个开口34排至通道35，在此它通过由装置36产生的流化作用向上运动，经出口37回到炉2中。布置在蒸发隔间内的传热舱的结构也可与图示的不同。
图5表示流化床锅炉的炉2的垂直断面示意图，其中布置了两种蒸发隔间12c和12d。第一种蒸发隔间12c具有过热表面20和如图3、图4所示的传热舱30。第二种蒸发隔间12d具有颗粒分离器40。图5中的颗粒分离器的截面是长方形，其长边和短边的比大约为2。在分离器的上部有两个气体出口41，在其下部有一个开口，分离下来的床料从此回到炉中。
携带着颗粒床料的气体被导入分离器，使喷射气流尽可能地促进旋涡的产生。使气流与分离器的壁相垂直的导气管42、43最好布置在旋涡流动方向的由壁向外点。也可在侧壁的其它部分上布置平行于旋涡的斜向进口管44。
在某些情况下，最好是在颗粒分离器40的两个旋涡之间布置一个隔板45。颗粒分离器的各边之比可与图5所示的不同。比如，分离器可以是正方形截面。
图6表示本发明第三个实施例，其中从炉2底部5开始的蒸发隔间12不延伸到顶部6，而是在接近炉顶前转向，靠近炉顶穿过炉体的侧壁4a。这种布置有时是有利的，如对于控制热膨胀。同样，隔间的下部也可同样弯曲穿过侧壁。
进一步地，图7表示一个流化床反应器的水平截面，其中本发明的隔间在炉中布置成其侧壁不与炉的侧壁表面平行，而是成45°角，也就是菱形的。
在此，本发明只是根据几个目前认为是最佳的实施例来进行描述的，当然，必须知道，本发明并不只限于这些实施例，它还包括在下面专利权利要求界定范围内的多种其它布置。
按照条约第19条的修改1.一种在流化床反应器中的装置，反应器包括由侧壁(4)、顶部(6)和底部(5)限定的并具有一个固体颗粒床的炉(2)，其特征在于该炉还包括至少一个基本竖直的蒸发隔间(12)，隔间内部形成一个封闭的气体空间，隔间与侧壁分开，从底部向上延伸至少到炉高的80％，其竖壁(13)由平直的水管排形成。
2.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间从炉底延伸到炉顶(6)。
3.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是锅炉蒸发表面的20-70％布置在蒸发隔间内。
4.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是锅炉蒸发表面的40-60％布置在蒸发隔间内。
5.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是至少具有两个蒸发隔间。
6.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是具有多于两个的蒸发隔间。
7.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间在炉内布置成至少两排。
8.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间与炉壁是分开的。
9.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间的截面是凸形的。
10.如权利要求9所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间的截面是矩形的。
11.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间的截面在炉高的至少50％上是基本不变的。
12.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间水平截面的每条对角线长度最长为与其平行的锅炉对角线长度的60％。
13.如权利要求10所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间相对壁面的距离最少为0.5m。
14.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是在蒸发隔间内布置供应二次空气的装置。
15.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是在蒸发隔间内布置供应燃料的装置。
16.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是在蒸发隔间内布置过热表面。
17.如权利要求16所述的流化床锅炉，其特征是至少布置在一个蒸发隔间内的过热器是翼壁型的。
18.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是在蒸发隔间的下部布置鼓泡流化床式的传热舱。
19.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是在蒸发隔间内布置加强隔间刚度的结构。
20.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是在蒸发隔间内布置加强锅炉刚度的结构。
21.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是在蒸发隔间内布置颗粒分离器。
22.如权利要求21所述的流化床锅炉，其特征是颗粒分离器为旋风式分离器。
23.如权利要求22所述的流化床锅炉，其特征是颗粒分离器的截面为矩形。
24.如权利要求23所述的流化床锅炉，其特征是颗粒分离器的截面为正方形。
25.如权利要求23所述的流化床锅炉，其特征是颗粒分离器截面的长边长度至少是短边长度的2倍。
26.如权利要求25所述的流化床锅炉，其特征是颗粒分离器内布置竖直隔板。
27.一种用于流化床反应器的方法，反应器包括由侧壁(4)、顶部(6)和底部(5)限定的并具有一个固体颗粒床的炉(2)，其中热量被布置在炉壁上的蒸发表面吸收，其特征在于热量还被由布置在炉内的一个或多个蒸发隔间(12)的壁构成的蒸发表面吸收，隔间与侧壁分开，它从底部向上延伸至少到炉高的80％，其竖壁(13)由平直的水管排形成，其内侧形成一个封闭的气体空间。
权利要求
1.一种用在流化床反应器中的装置，反应器包括由侧壁(4)、顶部(6)和底部(5)限定的并具有一个固体颗粒床的炉(2)，其特征在于该炉还包括至少一个基本竖直的蒸发隔间(12)，其高度至少为炉高的80％，其竖壁(13)由平直的水管排形成。
2.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间从炉底延伸到炉顶(6)。
3.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是锅炉蒸发表面的20-70％布置在蒸发隔间内。
4.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是锅炉蒸发表面的40-60％布置在蒸发隔间内。
5.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是至少具有两个蒸发隔间。
6.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是具有多于两个的蒸发隔间。
7.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间在炉内布置成至少两排。
8.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间与炉壁是分开的。
9.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间的截面是凸形的。
10.如权利要求9所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间的截面是矩形的。
11.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间的截面在炉高的至少50％上几乎是恒定的。
12.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间水平截面的每条对角线长度最长为与其平行的锅炉对角线长度的60％。
13.如权利要求10所述的流化床锅炉，其特征是蒸发隔间的相对壁面之间的距离最少为0.5m。
14.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是在蒸发隔间内布置供应二次空气的装置。
15.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是在蒸发隔间内布置供应燃料的装置。
16.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是在蒸发隔间内布置过热表面。
17.如权利要求16所述的流化床锅炉，其特征是至少布置在一个蒸发隔间内的过热器是翼壁型的。
18.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是在蒸发隔间的下部布置鼓泡流化床式的传热舱。
19.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是在蒸发隔间内布置加强隔间刚度的结构。
20.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是在蒸发隔间内布置加强锅炉刚度的结构。
21.如权利要求1所述的流化床锅炉，其特征是在蒸发隔间内布置颗粒分离器。
22.如权利要求21所述的流化床锅炉，其特征是颗粒分离器为旋风式分离器。
23.如权利要求22所述的流化床锅炉，其特征是颗粒分离器的截面为矩形。
24.如权利要求23所述的流化床锅炉，其特征是颗粒分离器的截面为正方形。
25.如权利要求23所述的流化床锅炉，其特征是颗粒分离器截面的长边长度至少是短边长度的2倍。
26.如权利要求25所述的流化床锅炉，其特征是颗粒分离器内布置竖直隔板。
27.一种用于流化床反应器的方法，反应器包括由侧壁(4)、顶部(6)和底部(5)限定的并具有一个固体颗粒床的炉(2)，其中热量被布置在炉壁上的蒸发表面吸收，其特征在于热量还被由布置在炉内的一个或多个蒸发隔间(12)的壁构成的蒸发表面吸收，该隔间的高度至少为炉高的80％，其竖直的壁(13)由平直的水管排组成。
全文摘要
本发明涉及一种在流化床反应器内的装置,流化床反应器包括由侧壁(4)、顶部(6)和底部(5)限定的并有一个固体颗粒床的炉(2)。炉内至少有一个大体竖直的蒸发隔间(12),隔间的高度至少为炉高的80%,其竖壁(13)由平直的水管排形成。本发明还涉及一种在这样的流化床反应器中回收热量的方法。
文档编号F22B1/02GK1376249SQ99815601
公开日2002年10月23日 申请日期1999年11月17日 优先权日1998年11月20日
发明者T·许派宁 申请人:福斯特韦勒能源股份公司