专利名称：控制沸腾床锅炉床温的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及按权利要求1前叙部分的用以控制流化床锅炉、尤其是燃烧煤或其它具有高热值但难于气化的燃料的锅炉中床温的方法。
本发明还涉及适于实施该方法的装置。
流体床锅炉是一种锅炉结构，其中燃料基本上在锅炉底上方的由不可燃颗粒床物质与燃料混合形成的流化床层内燃烧和部分气化。该床由设置在锅炉底部的喷咀喷射高速流化气体，通常为空气，来保持流化。各种流化床锅炉预定要燃烧固体燃料，它们在燃烧容易气化的燃料，诸如木材和泥煤方面是特别有效的，从而通过受控空气分配，利用调节气化度，便能控制床温。本发明适用于沸腾流化床锅炉，这种锅炉通常以两个区工作，下区由约1米高的床构成，燃料在该床中燃烧和部分气化。上区为后燃的高度。在流化床内气化的燃料上升至该后燃高度区，燃料在那里完全燃烧，因此，通过喷吹二次空气到后燃区来控制后燃过程，以确保燃料的完全燃烧。后燃高度区的壁通常是水冷的。对该水冷壁的传热主要通过吸收燃烧过程中气体的辐射热进行。流化床的温度大约是750～900℃。一方面，为避免降低燃烧效率，其床温必须不下降太多。另一方面，若允许床温到高于某一上限，当熔灰和床物料结成块时，便很快在床中出现烧结。在燃烧易于气化的燃料时，床温通过改变被喷入床内的空气的流量率可得到控制，因而，较小的空气流量使燃料的气化有利于它在床内燃烧，导致较低的床温。此时，燃料的较大部分在后燃高度区内燃烧。由于诸如煤的燃料的有问题的气化性质经常使床中温度上升到不可控的程度，所以这些燃料种类不可被用作主燃料。当燃料品质和锅炉输出变化时，也会出现床温控制问题。因此，在循环流化床锅炉中，煤是按常规方式燃烧的，其中，床物料的一部分和燃料经锅炉顶部返回到床内。由于这种结构需要一旋风分离器或其它有效的颗粒收集器自烟气中收集循环的床料，故其制造较常规的流化床锅炉更加昂贵。在例如US-5，054，436和US-4，766，851中讨论了循环流化床锅炉。
习惯上，例如通过调节对流化床的空气输送率来改变空气系数或将烟气循环返回到锅炉底以冷却该床来实现床温的控制。在某些情况下，采用浸没在床中的热交换器，从而由于它们的迅速烧蚀而产生了问题。按照锅炉部件耗损的观点，床是极其有害的地点，床中状态从还原到氧化的变化，引起极强的烧蚀和腐蚀。尤其是，热和上述因素跟燃料的烧蚀作用与床物料的循环的结合，导致了床中构件迅速耗损。由于在床中起作用的不同损耗机理的多方面性质，几乎不可能找到一种适于热交换器的物质，这种物质既能阻止所有上述耗损机理的联合作用，同时又能提供相当高的传热系数。利用附加空气喷射受可用床温的有限控制范围的限制。虽然借助烟气循环，能获得燃烧参数控制的满意结果，然而，这种方案要求设立单独的循环系统。
本发明的目的是提供一种能控制流化床温度的方法，它比上述传统的方法优越。
本发明的目标是通过在该床的上方，而在后燃高度区下方设置一冷却区来实现的，此时以某一单位面积的超量率将流化气体输入到该床区，从而在已增加流化气体喷射率的区域范围内，该床自沸腾床向上膨胀到所述冷却区内，未燃可燃物和该床的颗粒物质从那里可落回到床内。
尤其是，在流化床的中央配置较高流量率的气体喷射，藉此，经包封该冷却区的水壁部能产生返回循环，这样，便于以辐射的形式自该床物料进行有效的热传导，这种辐射被冷却区水壁的传热表面所吸收。
更具体地说，本发明的方法的特点被规定在权利要求1的特征部分中。
此外，本发明的部件的特点被规定在权利要求8的特征部分中。
本发明显示出一些明显的好处。
本发明能在流化床系统中燃烧高热值的燃料，无需诸如用于循环流化床技术中那些昂贵的颗粒物质收集器。在后燃区、即在流化床上方的高度区内的温度能充分升高，因而允许自通常的流化床燃烧过程的烟气中消除诸如氧化二氮的讨厌的氮化合物。因此，本发明的方法能极好地适用于，例如，将燃烧粉化煤的锅炉转化为硫化床锅炉。在不牺牲充足冷却率的情况下，就不必将昂贵的及迅速耗损的热交换器安装到流化床区。由于在不同的流化床区内有可变的空气喷射率，因此，用这种方法比先有技术方法在更宽广的范围内，更容易控制燃烧过程的参数。在流化床的高速流化区内，形成氧化条件，它便于以在循环流化床锅炉中同样的方式用石灰石去流。借助于二次空气喷射或循环气体或两者，能用气体涡流形式冷却区，该涡流稳定了锅炉的气体流型。结果，除了其它好处外，还减少了氮氧化物。该流化床的气化区的尺寸可做得较小，而锅炉中的最高温度由于提高了传热率而降低。这个因素也有助于较方便地去除氮和硫的氧化物。
参照附图，下面较详细地叙述本发明，其中
图1是本发明的流化床锅炉设备的简略框图；图2是对本发明的锅炉设备流化床更详细的图示。
参照各图，本发明的锅炉设备基本上类似于普通的流化床锅炉设备。锅炉1有炉膛区1，其上方设置一传热区2，其中由燃料燃烧释放的热量经热交换器3被传入传热介质。该传热介质通常是水，它在热交换器内被蒸发和过热，供蒸气透平和其它设备用。被冷却的烟气自传热区2被直接或经净化设备带到烟突，根据是否需要额外的净化。按照本方法，在燃烧过程中，能基本上去除氮和硫的氧化物。
锅炉1的炉膛区被分为许多区。在锅炉1中的最底层设置流化气体喷咀4，5，在上方保持流化床6。在流化床6的上方按照本发明设有冷却区7，冷却区的上方，为后燃高度8。流化气体，通常为空气或烟气，或其混合物由鼓风机10沿管道11被吹到喷咀4，5处。管道11在其通路上被分支成通道12和通道13，前者通至侧边喷咀5，后者通至中央喷咀4。利用普通的输送装置，燃料经管道14被输入该床内。在冷却区7和后燃高度区8之间的区域内采用二次空气喷咀15，其功能通过在冷却区7内额外设置一回流喷咀16可以实现，喷咀16供烟气或颗粒物质自锅炉区1沿传热区2循环之用。
按照本发明，流化气体喷咀4，5被分为两区。在锅炉1的某区，最好如该实施例所示在中央，这些喷咀较周边聚集得密些，因此，与中央的较多的喷咀4，5成比例，较多的空气在中央会被喷入到床6内。供给喷咀4、5的空气量可通过设置在空气管路12、13内的调节档板17得到调节。当两档板17全开时，被喷入床6中的空气量将由中央区喷咀和周边喷咀的数量比来决定。若与两个区内的喷咀数成反比，把输到中央区喷咀4的空气流量率调节得小于输到周边区喷咀5的空气流量率，则被喷入流化床6的整个区域内的空气流量将和普通流化床锅炉中一样。这些喷咀可以这样配置，例如，在中央和周边区中，喷咀数目相同，但中央区的高速流化区的面积被设计成大致为周边区面积的1／9。然而，不必将本发明理解为受喷咀在不同床区内的比例的限制。
当空气被喷入到流化床6中时，锅炉运行如下，被喷入流化床内的空气的总流量率能被调节到和普通流化床燃烧中所用的相等。随着更多的空气被喷入高速流化区，流化床物料会升高成中央柱子9那样，进入冷却区7。该冷却在流化床上方形成，但低于后燃高度区8，因此，冷却区的高度由自颗粒自上抛达的流化床6顶面的最大高度来确定。在锅炉1中，该层部分地延伸到流化床区6保护衬层18的上部，部分地高于所述上部。在保护衬底层18的上方，本发明的锅炉壁构成以水或蒸气冷却的传热壁19。二次空气喷咀15配置在传热壁19的区内。
在流化床6和冷却区内，内循环以中央柱子的形式出现，该中央柱子自床6的中央高速流化区升起，因此，该柱子由夹带床颗料物的可燃物和气体组成。在该区内，颗粒物在沸腾床上方升起，将空气输入率调节得使颗粒物能至少达到其极限速度。在本文中，术语极限速度指在该速度时炉中的流化床颗粒物开始夹带向上运动气流而上升。床物料的颗粒尺寸要选得能使颗粒落回床中，而不把炉中所有颗粒向上带走。这样，迫使床物料按中央柱9向上升起，然后按回流沿锅炉1的内壁返回床中，于是通过辐射有效地将热传给冷却区的传热壁面19。由于床物质的投放量大约三倍于炉膛气体，因此，床物料的内循环对该床提供了极有效的冷却。
冷却区7中的温度约为850℃，而后燃高度区8的温度约为1100℃。这些数据仅作为例子给出的，说明本发明装置中的运行状况。显然，每一锅炉结构会有不同的对应于其部件和运行工况的最佳温度。
为确保燃料完全燃烧所需的二次空气最好沿冷却区7的切向喷入锅炉1内，因而其流动会在中央柱中产生相应的旋流，并引起沿锅炉壁向下流动的回流。这样诱生的旋流迫使回流的流化床物料颗粒靠近传热面19，从而改善传热。此外，该旋流使炉膛不同部分内的局部气流趋于均匀。可用喷射烟气来实现二次空气喷咀，当希望更多冷却时，也能将该烟气喷入到冷却区内。
这样，用于冷却流化床的本发明的方法是建筑在将空气流集中喷射到床内的基础上的，因此，使床的某区形成高速流化区，其中颗粒物以显著高于环绕床表面的颗粒的速度被向上抛出。借助于可供以二次空气或循环气体的气体喷咀，在该床上方安全一切向流动，迫使炉膛内的整个气体产生旋流运动，这个旋流运动将夹带在烟气内的颗粒输送到锅炉的内壁上。此时，炉膛的下部，在其水冷壁附近，形成一密集悬浮区，在流化床物料向下流动期间在其中被有效冷却。按此方式，在流化床中形成一个强劲的内循环，它迫使床中央区的颗粒上升得更高，并在靠近炉壁产生的回流中获得冷却后返回到炉中，从而降低了床温，尤其在燃烧高热值燃料时。结果，通过改变内回流循环可调节床温，因此，在床中央增强气体喷射，便会获得较大的冷却效果。在上述实施例中，床温调节是通过空气管道12、13内的档板17的位置调节来实现的。
在该方法中，通过流化床的初级空气流量基本上与普通沸腾流化床锅炉内的流量保持相等。在良好的状况下，可撤消该系统，因此，高湿度成份的燃料像在通常的流化床过程中一样可被燃烧。这样，本发明能在一个锅炉中燃烧许多不同的燃料。按床温调节的需要，喷射气体的主要部分被引入流化床的中央区，同时减少通过床周边区的流量。然而，在所有时间内，在流化床的所有部分中必须保持流化气体的最小流量率，这个最小流量率能足以使该床保持在流化状态。除了上述之外，本发明可有各种替代实施例。原则上，流化气体的喷咀可分为许多调节区，但这种方案由于复杂且额外的好处极微而难以实现。被喷入单独喷咀区的气体可采用单独的主管道和鼓风机，因此，能混合空气和烟气。本发明的原理基于对不同床区喷射不同空气量进行调节。它能以各种方式来实现。当采用均匀分配的相同尺寸喷咀时，某些喷咀可供以较高的喷射压力，藉以增加空气流量率。或者，在某些喷咀区可采用较大直径的喷咀，或在某些装有循环气体喷咀的某区通过补充普通喷咀系统可安装较密集的喷咀，从而使流化床以通常的方式工作，而用循环气体驱使颗粒物回流。通过调节后燃高度区下部的流化床中央柱高度，在现有的锅炉中能形成冷却区，从而通过所述高度区的冷却壁获得冷却效果。
权利要求
1．在沸腾流化床锅炉中控制床温的方法，在该方法中自包含床物料的锅炉(1)的底部经流化气体喷咀(4，5)向上喷射流化气体，以使流化床物料作为一流化层(6)悬浮在该锅炉底部上方；将能在该床中部分气化并燃烧的燃料输入流化床(6)内；使该气化的燃料和所产生的燃烧气体在锅炉(1)中向上升到后燃高度区(8)供后燃；在流化床上方将空气喷入锅炉(1)内，以使后燃高度区(8)中的气化燃料实现完全的燃烧，其特征在于将流化气体喷入锅炉(1)中，使每单位面积的气体喷射量，在装有流化气体喷咀(4，5)的至少一个面积区(4)内，大于装有流化气体喷咀(5)的其它区内的单位面积气体喷射量，在具有较高气体喷射率的所述区(4)范围的流化床颗粒被赋以至少这样的极限速度，使这些颗粒自流化床(6)适当地上升(9)；将所供应的流化气体量及喷射速度保持成这样，使上升得较高的流化床物料颗粒在被带到供以较小量流化气体的区域(5)后能落回到流化床(6)内。
2．按权利要求1所述的方法，其特征在于在自流化床(6)向上延伸到流化床物料颗粒的最大上升高度的炉膛区范围内，锅炉(1)的至少部分内壁被用作热交换器。
3．按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于较大量的流化气体经锅炉(1)的中央喷射。
4．权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于空气沿锅炉(1)内壁的切线方向被喷入锅炉炉膛内。
5．按上述任一权利要求所述的方法，其特征在于将循环气体输送到保持在锅炉(1)的流化床(6)的顶面和流化床物料颗粒的最大上升高度之间的炉膛区内。
6．按上述任一权利要求所述的方法，其特征在于该流化气体为空气。
7．按上述任一权利要求所述的方法，其特征在于流化气体是空气和循环气体。
8．按上述任一权利要求所述的方法，其特征在于将石灰石供给喷入较大量流化气体的区域内，供去硫用。
9．一种控制流化床锅炉床温的装置，包括一个包含流化床物料的锅炉(1)；配装在锅炉(1)底部的流化气体喷咀(4，5)，用以将流化气体喷入流化床物料中，以便使流化床物料作为一流化层(6)悬浮在锅炉底部的上方，用以将燃料输入流化床(6)内的装置(14)；位于锅炉(1)的流化床(6)的上方供后燃用的后燃高度区(8)；将二次空气输入后燃高度区(8)内的至少一个喷咀(15)，其特征在于具有按各区控制喷入流化气体量的装置，这种控制使每单位面积的气体喷射量，在装有流化气体喷咀(4，5)的至少一个面积区(4)内，大于装有流化气体喷咀(5)的其它区内的单位面积气体喷射量，从而赋以处在具有较高气体喷射率的所述区(4)范围的流化床颗粒至少这样的一个极限速度，使这些颗粒自流化床(6)适当上升(9)；这样选择流化床物料的颗粒尺寸，使上升得较高的颗粒，在被带到供以较小量流化气体的区域(5)后，能落回到流化床(6)内。
10．用于按权利要求9所述的装置的方法，其特征在于具有至少一个构成锅炉(1)的炉膛壁的传热面(18)，它从流化床(6)的顶面向上延伸到流化床物料颗粒的最大上升高度。
11．按权利要求9或10所述的方法，其特征在于，控制流化气体喷射量的所述装置包括处在锅炉底部中央的第一喷咀区(4)和处在锅炉底部周边区内的第二喷咀区(5)，在高度流化的中央区内，每单位面积的喷咀密集度大于低速流化的周边区内的单位面积的喷咀密集度。
12．按权利要求9或10所述的方法，其特征在于控制流化气体喷射量的所述装置包括处在锅炉底部中央的第一喷咀区(4)和处在锅炉底部周边区内的第二喷咀区(5)，在高速流化的中央区内径每单位面积的喷咀的喷射气体流量率大于低速流化的周边区内每单位面积的喷射气体流量率。
13．按权利要求9或10所述的方法，其特征在于，控制在气体喷射量的所述装置包括处在锅炉底部中央高速流化区内的第一喷咀区(4)和处在锅炉底部周边区内的第二喷咀区(5)，另外补充以调节供给喷咀的气体的压力的装置。
14．按照权利要求9至13之一所述的方法，其特征在于供应二次空气的喷咀配装在锅炉(1)上，与流化床物料颗粒的最大上升高度大致相切。
15．按权利要求9-14之一所述的方法，其特征在于输送循环气体的至少一个喷咀(16)配装在锅炉(1)中，它处在流化床(6)的顶面和流化床物料颗粒的最大上升高度之间的区域内。
全文摘要
本发明涉及一种调节流化床锅炉中,尤其是燃烧煤或其它具有高热值而难以气化的燃料的锅炉中床温的方法与装置。在流化床(6)上方,在后燃高度区(8)下方,设置一冷却区(19),将流化气体按每单位面积的超量率喷入到该床的某一部位,因而在增强流化气体喷射的区域范围内,该床向上扩展到冷却区,未燃可燃物和流化床的颗粒物自那里可落回到该床内。在流化床的中央,分配高流量率的气体喷射,从而通过包封冷却区的水壁部位能产生返回循环,这样,有利于以散热器的形式自回流的流化床物料进行有效的传热,所传出热量由冷却区水壁的传热面吸收。
文档编号F23C7/00GK1204391SQ96198923
公开日1999年1月6日 申请日期1996年10月18日 优先权日1996年10月18日
发明者M·莱克, S·胡尔科仁, J·希尔维诺雅 申请人:伊马特兰福伊马股份公司