专利名称：具有一个热交换器的流化床反应器系统和方法
技术领域：
本发明涉及流化床反应器，尤其涉及具有一个靠近流化床反应器而设置的热交换器的系统和方法。
一般说来，在流化床反应器中具有空气流过装有颗粒状物料的一个床，以便使该床流化并促使燃料在较低的温度下燃烧，这些粒状物料包括含硫的煤和用来吸附燃煤时产生的硫氧化物的吸附剂。当该反应器应用于一个蒸汽发生系统中以驱动蒸汽透平或类似设备时，为了产生蒸汽，使水或冷却剂流过与流化床材料进行热交换的惯用的水流管路。该系统包括一个分离器，它分离流化床反应器的烟气中携带的粒状固体并使这些固体再循环到该床中。其结果可产生如下综合效果，即较高的燃烧效率、较高的氧化硫吸附率、低氧化氮释放率和较好的燃烧适应性。
在这种系统的反应器中，多数常用的流化床通常指的是“沸腾”流化床，在沸腾流化床中，装有颗粒物料的床具有较高的密度和界线分明的或松散的上表面。其它种类的流化床采用了一种“循环”流化床。按照本发明的技术，流化床密度可以低于普通沸腾流化床的密度，空气流速等于或大于沸腾床的空气流速，而且流过该床的烟气携带有相当数量的细固体颗粒，以致使固体颗粒在烟气中基本达到饱和的程度。
另外，循环流化床具有较高的固体重复利用率的特点，该特点使得流化床不易受燃烧热释放的型式的影响，因此可将温度的变化减至最小，从而使氧化氮的释放降至较低的水平。较高固体重复利用率提高了系统的总效率，这是由于氧化硫吸附剂和燃烧停留次数的增加而减少了吸附剂和燃料的消耗的缘故。
在循环流化床反应器中，往往在从旋风分离器返回的固体流中设置一个热交换器，该旋风分离器采用了以高换热率吸收热能的水冷表面。在蒸汽发生应用中，这种增加的热能可以用于调节蒸汽的出口温度，以便与透平的技术规格相匹配。通常，在需要负荷较高时，热交换器只输送较小百分比的总热负荷给反应器，而在需要负荷较低时，热交换器可将高达约20%的总热负荷输送给反应器。
遗憾的是，当热交换器能在低需用负荷和开始运转状态输送相当大百分比的流化床反应器总热负荷时，通常热交换器的热调节能力是有限的。尤其是，在低需用负荷和开始运转期间，由于反应器的工况是优先满足的，所以水/蒸汽的出口温度要低于最佳温度。其结果是降低了系统的总效率和提高了作用于接收不匹配冷却剂的外部设备上的机械应力。
因此，本发明的一个目的是提供一种流化床反应器系统和方法，其中在靠近反应器段的地方设置一个热交换器，该热交换器提供了一辅助的热调节能力。
本发明的另一个目的是提供上述那类系统和方法，其中在热交换器中的流化床表面流化速率是随反应器的热需求的条件不同而变化的。
本发明的再一个目的是提供上述那类系统和方法，其中热交换器中的流化床尺寸是随反应器的热需求条件不同而变化的。
本发明还有一个目的是提供上述那类系统和方法，其中根据反应器的热需求条件而将外部燃料提供给热交换器的。
为了实现这些和其它目的，本发明的系统包括一个装有流化床并设置在靠近系统的反应器段的热交换器。反应器内流化床中的烟气和夹带的颗粒物质被分离开，将烟气输送到热回收区，将分离出的颗粒物质输送到热交换器。反应器中的颗粒物质被流化并且在热交换器中设置用于吸收流化颗粒中的热量的换热面。为了在低需用负荷和起动状态的情况下提供额外的热能，在热交换器内还设置了燃烧器。热交换器中的固态物质返回到反应器中的流化床。
下面参照附图对本发明的优选实施例进行详细描述，通过这些描述将更全面地理解本发明上述以及其它目的、特征和优点，当然这些实施例只是举例说明。附图中
图1是本发明流化床反应器的示意图;
图2是沿图1中2-2线取的剖面图;
图3是沿图1中3-3线取的剖面图。
在描述流化床反应器时也就对本发明的系统和方法进行了描述，该流化床反应器构成自然水循环蒸汽发生器的一部分，蒸汽发生器在图1中用标号10表示。
蒸汽发生器10包括流化床反应器12、分离段14和热回收区16。反应器12包括一个立式外壳18和一个设置在反应器下部的多孔空气分配器板20，板20以适当方式固定到外壳的壁上，用以支撑一个装有含煤和较细的吸附剂材料颗粒的颗粒物料(例如石灰石)的床，以便吸附在煤燃烧时产生的氧化硫。压力通风腔22位于板20的下方，用于接收从一个适当的风源(图中未画出)例如压力风机输送来的空气，并且对输送的空气适当调节，以使装有颗粒物料的床流化。按照本发明的一个优选实施例，应使空气的流速被调到一个合适的数值，以便形成一个如上所述的循环流化床。穿过外壳18的壁设置一个或多个分配器24，用以将颗粒物料引入到流化床上。为了从外壳18中排放较粗的废颗粒物料，设置一个与分配器板20上的开口连通的排放管26。
可以理解到，外壳18的壁上设置有许多垂直延伸的水管。为了将水转变成蒸汽，还设有使水流过上述水管的水流管路(图中未画出)。由于外壳18的壁采用传统结构，所以不再对该壁作进一步描述。
分离段14包括一个或多个靠近外壳18而设置并利用管道30将其连接到外壳上的旋风分离器28，该管道30从外壳18后壁上部的一个开口延伸到开在分离器28上部的一个入口上。分离器28接收来自外壳18内流化床的烟气和夹带的较细颗粒物料并以常规的方式运行，即利用分离器内产生的离心力将烟气中的较细颗粒材料分离出来。较纯净的烟气在分离器28内上升通过管道32流入并通过热回收区16。热回收区16以传统方式运行并吸收纯净的烟气中的热量，然后气体通过出口管16a被排放出去。
从分离器28中分离出的固体进入一个与分离器下端相接的漏斗28a，然后进入连接到漏斗出口上的浸入管34。浸入管34又连接到一个热交换器36上，该热交换器具有大致呈长方形的外壳38，它靠近外壳18设置，并且外壳18后壁的下部是外壳38和外壳18共用的壁。空气分配板40设置在外壳38的下部并限定了一个压力通风腔42，该通风腔用于通过分配板40将外部气源(未画出)的空气引进来，并使之进入外壳38的内部。正如下文所讨论的，为了排放外壳38内部的较细的废颗粒物料，使三个排放管(其中的一个显示在图1中，用标号43表示)对准板40上的开口。下文还将讨论到，为了将热交换器36中的固体和气体输送到反应器12中，在外壳38和外壳18之间的共用壁上开有三个通孔(其中一个孔在图1中用标号44表示)。在通孔44上方设有一个隔离墙45，它向下方延伸并限定出一个通路，以使热交换器36中的固体物料能进入反应器12的内部。
一个小槽形外壳46设置在靠着外壳38的地方并与外壳38后壁的中间部分共用一个壁，以用于接收来自浸入管34的较细颗粒物料并将这些颗粒物料散布到外壳38中。在外壳46的下部设置了一个空气分配板48并且限定了一个压力通风腔50，用于通过分配板48将外部气源的空气引入并送入外壳46的内部。为了将外壳46中的固体和流化空气输送到外壳38，在外壳46和外壳38之间的共用壁上设置一个开口52。
如图2和图3所示，在外壳38内设两个隔离壁58a和58b，这两个壁从外壳38的基底开始延伸，并穿过板40达到外壳的顶部，这样便将压力通风腔42和外壳38分别分成了三个部分42a、42b和42c以及38a、38b和38c。如图2所示，两个隔离壁60a和60b从外壳46的底部穿过板48(图1)延伸到外壳的中部并将外壳46分成三个部分46a、46b和46c。可以理解，两个隔离壁60a和60b也把压力通风腔50(图1)分成三个部分。
参照图1，可以看出在外壳内分隔的部分38a、38b和38c中分别设置了三个燃烧器，其中的一个显示在图中，标号为62，这些燃烧器以常规的方式燃烧如燃气或油之类的燃料，以提供附加的热量。另外，在外壳内的部分38a、38b和38c中分别设置了三个热交换器管束，其中一个显示在图中，标号为64，这些管束注有冷却流体(例如水)，用于在外壳内分隔的部分中从较细颗粒物料中吸收热量。此外，在外壳38和18之间的共用壁上开有三个开口44a、44b和44c(图2)，并且为了分别排放外壳内分隔的部分38a、38b和38c中的颗粒物料，使三个排放管43a、43b和43c(图3)对准分配器板40上的开口，这将在下文中作描述。
在运行中，分配器24中的颗粒燃料和吸附剂材料按照需要被引入到外壳18内。来自外部气源的压缩空气通过分配器板20进入强制通风腔22，并且流入外壳18中的颗粒物粒的床内，以使物料流化。
在外壳18内设置一个点火燃烧器(图中未画出)或类似装置，点燃该燃烧器时，可使颗粒燃烧物料燃烧。当物料的温度较高时，将从分配器24中添加的燃料排放到反应器12中。
反应器12中的物料利用燃烧燃料产生的热量自燃，空气和气态燃烧产物(下文中称作燃料气)的混合物向上通过反应器12并夹带着来自外壳18中的床的较细颗粒物料。空气经压力通风腔22、分配器板20被引入反应器12的内部，其流速是按照反应器12中颗粒物料的大小确定的，这样便形成了循环流化床，也就是说，颗粒物料被流化到使床中包含了相当多颗粒物料携带物的程度。因此，进入反应器12上部的烟气中较细的颗粒物料基本上达到饱和。按照传统的方式，为了实现完全燃烧需使空气平衡，于是引入二次风。饱和烟气流到反应器12的上部，通过管道30流出反应器并进入旋风分离器28。在分离器28中，较细的颗粒物料从烟气中被分离出来。前者进入漏斗28a，并经浸入管34被引入外壳的分隔部分46a。纯净的烟气经管道32流出分离器28并进入热回收区16，通过热回收区16后再流到外部设备中。冷却流体，例如水流过一个常规的水流管路，包括设置在热回收区16内的一个过热器、一个再热器和一个省煤器(图中未画出)，以吸收烟气中的热量。
外壳分隔部分46b接收来自浸入管34的较细物料。利用供给设置在外壳分隔部分46b下方的压力通风腔50部分的空气使颗粒物料流化，这些物料又溢流出外壳分隔部分46b，然后充满外壳分隔部分46a、46c以及外壳分隔部分38b。可以理解到，较细颗粒物料从外壳分隔部分46b向外壳分隔部分46a、46c和向外壳分隔部分38b的流动是由供给外壳分隔部分46b下方的压力通风腔50的空气的流化速率控制的。类似地，较细颗粒物料从外壳分隔部分46a、46c分别向外壳分隔部分38a、38c的流动是由供给设置在外壳分隔部分46a、46c下方的压力通风腔50的空气的流化速率控制的。通常，输送到设置在外壳分隔部分46a、46b和46c下方的压力通风腔部分的空气是受到控制的，这样可使外壳分隔部分46a、46b和46c中的较细颗粒物料达到至少足以复盖住热交换器管64的程度。然后，较细的颗粒物料或者经开口44a、44b和44c返回到反应器12，或者从外壳分隔部分38a、38b和38c分别经排放管43a、43b和43c排出，这样便使反应器12中的较细颗粒物料的总量得到控制。在外壳分隔部分38a、38b和38c中的颗粒物料的流化分别独立地由供给压力通风腔42a、42b和42c(图1)的空气流化速率控制。
冷却流体，例如水流过构成反应器12的壁的管子，然后流入热交换器36内的热交换器管束64。冷却液体分别吸收在反应器和外壳分隔部分38a、38b和38c中颗粒物料床的热量，以对后面的床的温度进行控制。另外，在起动和低负荷运行期间，如有必要对流化床提供附加的温度控制，由燃烧器62(图1)向外壳分隔部分38a、38b和38c内的颗粒物料床提供热量。
因此，基本上可以控制流过热交换器管束64的冷却流体的最后出口温度，这样便可更好地适应透平的需要。例如，细颗粒物料向外壳分隔部分38a、38b和38c的流动及因而形成的与热交换管束64的接触可以由供给压力通风腔50的空气流化速率控制，这也就控制了向通过热交换管束64的冷却流体的热传递。因此，在外壳分隔部分38a、38b和38c内设置的单个床可以独立地被流化或利用压力通风腔42a、42b、42c以及排放管43a、43b、43c分别排出，这样便进一步控制住向流过热交换管束64的冷却流体的热传递。此外，在起动和低负荷运行期间，燃烧器62向流过热交换管束64的冷却流体提供大量热量，因而提高了系统总效率并降低了作用于接收冷却剂的外部系统的机械应力。
可以理解，在不超出本发明范围的情况下可对上述方式进行变换。例如，至少部分提供给外壳38的附加可控热量可由燃烧器直接朝着压力通风腔42加热空气来提供。
可以在上述公开的方式中进行其他修改、变化和替换，并且在某些情况下在采用本发明的某些特征的同时，也可以不使用其它特征。因此，可以对本申请的权利要求进行含义较广的和与本发明的保护范围一致的解释。
权利要求
1.一种流化床反应器系统，包括一个反应器，用于在所述反应器内支撑可燃颗粒物料的流化床的装置，设置在靠近所述反应器的热交换装置，用于接收来自流化床的烟气和夹带的颗粒物料并且将所述颗粒物料从烟气中分离出来的装置，将所述分离出的颗粒物料送到所述热交换装置的装置，用于使空气流过热交换装置中的所述分离的颗粒物料并使所述分离的物料流化的装置，设置在热交换装置内用于输送与所述分离的物料进行热交换的一种冷却剂并使热量从所述分离的物料传递到冷却剂的装置，以及用于将附加热量供给热交换装置内的所述分离的物料以便控制冷却剂的温度的装置。
2.按照权利要求1的系统，其特征是所述附加供热装置包括设置在热交换装置内的燃烧器装置。
3.按照权利要求1的系统，其特征是所述热交换装置与所述反应器共用一个壁。
4.按照权利要求3的系统，其特征是还进一步包括设置在反应器内的分隔装置，以便与所述共用壁一起限定一个垂直延伸的通道，所述共用壁具有一个穿过该壁的开孔，上述开孔对准用于将所述物料从所述热交换装置输送到所述反应器内的所述流化床的通道。
5.按照权利要求1的系统，其特征是所述冷却剂是水，并且还包括用于输送与所述流过流化床进行热交换的水并将所述水转变成蒸汽的装置。
6.按照权利要求1的系统，其特征是还进一步包括在邻近反应器位置设置的热回收装置，以及将所述分离的烟气从反应器输送到所述热回收装置的装置。
7.按照权利要求1的系统，其特征是所述热交换装置包括一个箱体和设在所述箱体内的分隔装置，所述分隔装置将所述热交换装置内的流化分离物料分成至少两个流化床。
8.按照权利要求7的系统，其特征是还包括用于控制输送到热交换器内至少两个流化床的流化空气以便单独控制后面的流化床的流化以及冷却剂的温度的装置。
9.按照权利要求7的系统，其特征是还包括为了控制冷却剂的温度在所述热交换器内单独地排放所述的至少两个流化床的排放装置。
10.按照权利要求7的系统，其特征是所述用于将分离的物料输送到所述热交换装置的装置包括一个靠近所述箱体设置并与所述箱体共用一个公共壁的外壳，以及用于将所述分离的颗粒物料从所述分离装置输送到所述外壳的装置。
11.按照权利要求10的系统，其特征是所述输送装置还包括一个在所述后公共壁上的开孔，以作为分离的物料从所述外壳到热交换装置的通道。
12.流化床反应器系统的运行方法，包括如下步骤将一个可燃颗粒物料的流化床支撑在所述反应器内，接收来自流化床的烟气和所夹带的颗粒物料的混合物并将所述颗粒物料从烟气中分离出来，输送来自反应器的所述分离出的颗粒物料，使空气通过分离出的颗粒物料，以使分离的物料流化，输送与所述分离的物料进行热交换的冷却剂，使热量从分离的物料传递到冷却剂，并将附加热量供给所述分离出的物料，以控制冷却剂的温度。
13.按照权利要求12的方法，其特征是利用一个或多个燃烧器将所述附加热量供给所述分离出的物料。
14.按照权利要求12的方法，其特征是所述冷却剂是水，并且还包括输送与所述流化床进行热交换的水并使水转变成蒸汽的步骤。
15.按照权利要求14的方法，其特征是所述蒸汽用于驱动一个蒸汽透平，所述控制冷却剂的温度的步骤用于适应透平的需要。
16.按照权利要求12的方法，其特征是还包括输送从所述反应器分离出来的烟气和回收所述分离出的烟气中的热量的步骤。
17.按照权利要求12的方法，其特征是还包括将所述流化分离物料分成至少两个流化床的步骤。
18.按照权利要求17的方法，其特征是还包括调节作用于所述至少两个流化床的流化空气，以单独控制后流化床的流化和冷却剂的温度的步骤。
19.按照权利要求17的方法，其特征是还包括为控制所述冷却剂的温度而单独地排放所述热交换器中的至少两个流化床的步骤。
20.按照权利要求18的方法，其特征是还包括在使空气流过所述分离出的颗粒物料的步骤之前将所述分离出的颗粒物料输送到一个外壳，然后再将物料送到一个热交换器的步骤。
全文摘要
一种流化床反应器，其中靠近该反应器设置一个 热交换器，它们各包含一个流化床并共用一个包括许 多水管的共用壁。来自流化床的烟气和夹带的颗粒 物料在反应器中被分离，并将分离出的颗粒物料送到 热交换器中的流化床。冷却液与分离出的物料在热 交换器中进行热交换，以便吸收物料中的热量，然后 上述物料返回到反应器中的流化床。将辅助燃烧供 给热交换器，燃烧燃料以控制冷却剂的温度。当本发 明的系统用于产生蒸汽时，可以控制冷却剂使之适用 蒸汽透平的技术要求。
文档编号F23C99/00GK1087028SQ9310829
公开日1994年5月25日 申请日期1993年6月7日 优先权日1992年6月8日
发明者胡安山·安东尼·格塞-茂尔 申请人:福斯特·惠勒能源公司