包括有分离器-冷却器的流化床反应器及其操作方法

专利名称：包括有分离器-冷却器的流化床反应器及其操作方法
技术领域：
本发明涉及一种流化床反应器及其操作方法，更具体地说，涉及这样一种流化床反应器，它包括一位于其邻近的分离器-冷却器，用来控制床料的循环与温度。
燃烧器、蒸汽发生器等之类的反应器是利用流化床作为主要的热发生源的。在这类装置中，是让空气通入此反应器的加热炉段，然后通过一其中装有粒料的床，此种粒料包括煤一类的化石燃料与石灰石一类用以吸附因煤燃烧所产生的硫的吸附剂二者的混合物。上述空气使床流化，促进燃料的燃烧。当这种反应器是用作蒸汽发生器时，由燃料燃烧所产生的热则被用来把水转变为蒸汽。流化床反应器把高放热、高的硫吸收、低的氮的氧化物排出物与燃料的机动性，作出了引人注意的结合。
最具代表性的流化床燃烧系统乃是一般称作为“鼓泡式”的流化床，其中致密粒料的床由一空气分配板支承，而助燃空气即通过此板上的一批孔引入到流化床中，导致粒料膨胀，取悬浮成流化态。上述空气的速度一般为用来形成一可支承床重的压力降时所需速度之二至三倍(例如最低的流化速度)，以促使能形成通过此床上升的气泡，产生一沸腾液体的外观。
为了进一步改进由鼓泡床所提高的燃烧效率、对污染物排出的控制和所简化的操作，曾开发过这样一种流化床反应器，利用了一般称之为“循环式”流化床的膨胀与淘析流化床。在这类装置中，与那种鼓泡床相比，粒料的粒度减小和/或平均空气速度增加，使得床的表面更具扩散性，而从床中带走的固体物便增多。根据这种方法，在加热炉段的下部，就达到了相当地低于鼓泡流化床典型密度的流化床密度，而在加热炉段的上部，它所加载的带入的粒料或固体物则远多于鼓泡流化床的情形，此加热炉段上部所增多的带入的固体物就会造成很高的固体物料通过料，而需有很高的固体物料回收率。能具有很高固体物料回收率的反应器则需用大型和价格昂贵的分离器，以便在热的已燃气体中通过一废热器回收区之前，从此种气体中分离出所带入的固体物料，而减少对废热回收区中热回收表面的涮蚀。这些分离出的固体物料则返回到流化床中。
委托给本申请同一代理人的美国专利4809623与4809625号公开了一种流化床反应器，其中是将一致密的或鼓泡式流化床保持在加热炉段的下部，而在其它方面，这种床则是作为一种循环流化床来运行的。此种设计在于兼具鼓泡式床与循环式床两者的优点，而还有一个较显著的优点则是，能够利用较大范围粒度的粒状燃料。
在以上种种设计中，粒状燃料与吸附剂两者的均匀混合物形成了一部分未燃烧的燃料粒、一部分只是部分燃烧的以及一部分完全燃烧的燃料粒。与此类似，一部分吸附剂是未反应的，一部分只是部分起反应的，而一部分是完全起反应的。为了适应新燃料与新吸附剂的引入，必须从有关系统中将这样一些粒状料有效地排出。为此目的，通常是从流化应下部，通过一排出管将一部分粒料从反应器排出来加以除去。
但是已经认识到，通过使部分这种排出的粒料再循环回到加热炉段，就能够有效地控制流化床中粒度分布这样一个重要的工作参数。这一般是用以下方法来实现的，即把空气吹送过所排出的粒料，除去并带走这种粒料中的较细部分，然后再把它们返送回加热炉段。
例如，在委托给本申请同一代理人的专利4829912号中，已公开了一种在流化床反应器中控制粒度分布的方法，其中用空气流来带走从管道中所排出粒料内的较细部分，再使之循环回加热炉段。在这类装置中，不作再循环之粒料的热能够投入生产中利用，例如预热助燃气体或是用于重热或过热工作。
设置于此反应器加热炉段邻近处的分离器-冷却器，既能完成所除去的粒料中较细部分的再循环，又能从所除去的但不作再循环的粒料中将热排出。在这类装置中，分离器-冷却器从加热炉段接受粒料，而空气则从此分离器-冷却器的第一段通过，除去或带走粒料中的一些较细部分，而它们则又返回到加热炉段。分离器-冷却器中剩余的粒料然后通常经过一冷却段，在此冷却段，于粒料排出相应系统之前，借助使取热交换关系的水/蒸汽或使空气通过这种粒料，将粒料中的热取出。当采用空气来除去不作循环之粒料中的热时，这种空气通常即返回到加热炉段作为预热的助燃空气。
但在某些情况下，例如当采用了会生成过量较细灰粉的燃料，或当燃料具有较高含硫量而必须采用相当大量的较细吸附剂时，那些分离到分离器-冷却器中并返回到加热炉段内的较细粒料，就会使加热炉段这种细粒料的体积或上部的加热炉载荷，增加到一个不能接受的水平。过量的上部的加热炉载荷就需要较大型和较昂贵的分离器-冷却器与分离装置，同时/或者要求此加热炉在一低的化学计量条件下运转，而这是低效率的。
当用来冷却分离器-冷却器中冷却器段内粒料的方法是靠将空气吹过粒料时，上述上部的加热炉载荷就会更不利。为了实现高的冷却速率和防止粒料在分离器-冷却器中结块，上述空气的速度与通过冷却器段的流率必须相当高。但是，高的空气速度和流率就会夹带更大量的粒料，而当把这种空气用作助燃空气时，便导致有更多的细粒料返回加热炉段，而进一步增加上部的加热炉载荷。
此外，这种分离器-冷却器通常是以连续方式工作，亦即床料是从反应器连续加入到分离器-冷却器中的。这样就使得粒料在分离器-冷却器中只有较短的滞留时间，而导致残留的可燃物堆聚于最终要从系统中排出的床灰之内。
这种分离器-冷却器还会带来另一个问题，特别是当它们取分隔形式，涉及到处理较大的粒状燃料如废料与错配料等时。更具体地说，这些大的粒料常会集聚在加热炉段中流化床的下部，因而其中的绝大部分是不会循环通过分离器-冷却器的。同时，这些通向分离器-冷却器较大料还会因分离器-冷却器中有隔墙而堵滞或卡塞。
为此，本发明的第一个目的在于提供一种流化床反应器，以及一种方法，其中从此反应器加热炉段排出粒料并使之通至一分离器-冷却器。
本发明的第二个目的在于提供上述类型的一种流化床反应器与方法，其中，有选择地和周期性地从此反应器中通过分离器-冷却器来排除粒料。
本发明的第三个目的在于提供上述类型的一种流化床反应器与方法，其中，与粒料是连续地通至分离器-冷却器的那些装置相比，能提高粒料在分离器-冷却器内滞留时间。
本发明的第四个目的在于提供上述类型的一种流化床反应器与方法，其中，残余的可燃物已自分离器-冷却器的床灰中燃烧净。
本发明的第五个目的在于提供上述类型的一种流化床反应器，其中较大的粒料从反应器的加热炉段引向分离器-冷却器，而从此分离器-冷却器排出。
本发明的第六个目的在于提供上述类型的一种流化床反应器，它有一个延伸通过加热炉段及分离器-冷却器的斜向栅架，用来支承流化床料并把此床料导向分离器-冷却器。
参考下面附图对本发明当前属最佳的但仍只是起解释作用的实施例所作的详细描述，当可全面地理解上面的简单描述以及本发明的其它目的、特征与优点，在附图中

图1是本发明的流化床-反应器与分离器-冷却器的剖面图;
图2是沿图1中2-2线截取的横剖面图;
图3是沿图2中3-3线截取的横剖面图。
下面描述本发明的最佳实施例。
图1示明了本发明的流化床反应器，它以参考数号10标明。此反应器10包括一加热炉段12、分离段14以及一热回收段16，它们都以横剖面形式给出，并将内部元件除去，便于显示。
参照图1与2，加热炉段12是由前壁18、后壁20与两堵侧壁22和24界定。相对于壁20按平行分开关系设有两堵壁26与28(图1)，并由壁20与26界定出分离段14，由壁26与28界定热回收段16。在加热炉段12内设有一地板30，并在此加热炉段12、分离段14与热回收段16三者的上方跨设有一顶板32。还应理解到，尽管图中未予示明，分离段14与热回收段16还都设有侧壁，而这些壁可以是侧壁22与24的延伸部。
壁20与26的上部分别开有孔20a与26a，得以使加热炉段12产生的烟道气，如将予说明的那样，从此加热炉段通入分离段14内，并从此分离段通到热回收段16。
应该认识到，要是反应器10是用于蒸汽发生目的，则壁18、20、22、26与28应由取平行、气密方式的一批热交换管形成，以载运水之类的待加热流体，上述这批管示意于图1，用参考数号34标明。须知有一批集流管(未示明)设在各堵壁18、20、22、24、26和28的两端上，它们与其它的管和有关的流路一起，有效地使水依常规方式迂回地通过反应器的内部并进出于一汽包(未示明)。为便于表示，以上部件均在图中略去。
一般以参考数号36标明的粒料床即设置在加热炉段12内，置放于一在加热炉段下部中延伸的栅架或多孔板38上。板38从壁22朝下斜向后壁24，并如后面将详述的，通过此后壁24中所形成的一个孔。
床36由烟煤之类的分散粒状燃料构成，它们由一加料机或类似装置依任何周知方式引入到加热炉段12内。应知可按类似方式将石灰石之类的硫吸附料引入到加热炉段12内，这种材料吸收着由燃烧着的煤所产生的硫。还应认识到，通过壁18在板38的紧上方设有一个床用点火燃烧器(未示明)，用来在起动时引燃床36的一部分。
板38与地板30之间确定出一压力通风系统40，通过一风闸41控制下的空气管道41，接收来自外部气源的加压空气。有一批喷嘴42通过开设在板38上的孔，用来把压力通风系统的空气送入床36中。这批喷嘴42是把此种空气按一朝向后壁的方向引导，理由见后。
通过床36的上述空气使该床流化以促进燃料的燃烧，并与燃烧产物结合成因加热炉段12中的对流作用而上升的烟道气。这种烟道气则在经孔20a通入到分离段12之前，夹带加热炉段12中的一部分较细粒料。
分离段14包括一旋风分离器14a，它依通常的方式分离出烟道气中所夹带的上述粒料。经分离过的烟道气便通过壁26中的孔26a至热回收段16，而上述分离出的粒料或分离出的固体物则进入分离段14的一漏斗部14b中。须知可在热回收段16中设置过热器、重热器或类似的一或多个热交换装置，用来当已分离过的烟道气向下通入热回收段16在其经由壁28上的出口28a排出之前，从此烟道气中除热。
有一从分离段14的漏斗部14b延伸到加热炉段12壁部20中孔20b的浸入管44，将上述分离出的固体物反送回床16。浸入管44有一U形部，形成一J形阀44a，以防粒料和/或气体直接从加热炉段12回流到分离段14，应知此J形阀44a可由能防止上述回流的L形阀，密封釜、整体式循环热交换器或其它装置替换。
参看图2与3，在加热炉段12的侧壁24邻近有一分离器-冷却器46。此分离器-冷却器46呈一般的矩形，由前壁48、后壁50、两侧壁52和54(图3)、地板56与顶板58界定。须知当此反应器10是用于蒸汽发生目的时，壁48、50、52与54则如前面所述，将由一批热交换管结合一批集流管与相应流路形成。
正如前面讨论过的斜向的多孔板38，它贯通过加热炉段12，并通过壁24中的一个。如图2所示，板38再行通过壁48，进入分离器-冷却器46内，与地板56成相分开的关系。另有一批喷嘴42通过板38在分离器-冷却器46的这一部分上的孔。
有一垂直隔板60从板38延伸到地板56，在其间界定出两个压力通风系统62a与62b。导管64与66分别与此压力通风系统62a和62b沟通，这两个导管接收来自外源的空气一类气体，用来控制流向此种压力通风系统的空气流与其中的压力。导管64与66分别设有两个控制闸64a与66a，以对进入压力通风系统62a与62b的气流与其中的压力进行独立的控制。
由板38位于分离器-冷却器46中的那部分所支承的喷嘴42，取一个把空气排入到板38上方流化床中的方向，并朝向一延伸过板56中的孔并位于板38端部与壁50之间的排出管70。排出管70中设有一阀门70a，控制通过此管道的灰尘与粒料流。排出管70包括一作曲折延伸的支管72，便于除去聚集在分离器-冷却器46中的床灰与粒料。
斜管78连通着形成在加热炉段12侧壁24上与分离器-冷却器46侧壁48上的上述孔，以使加热炉段12的床36中的粒料通入到分离器-冷却器46中。为此目的，设有一批空气管道80(图3)通过斜管78的两相对侧壁，以便将空气输入此斜管中，促进通过此斜管而进入分离器-冷却器中的粒料流动。有一取斜向的通风管82连通着另外形成在加热炉段12侧壁24上与分离器-冷却器46之相邻壁上相应的两个孔，此通风管在斜管78之上并与之分开。通风管82把空气与来自分离器-冷却器46中任何夹带的细粒料，在此空气通过分离器-冷却器46中粒料之后，一道送至加热炉段12。
运行中，粒状的燃料与吸附剂引入到加热炉段12内并聚集于板38(图1)上。来自外部源的空气经空气导管41通入压力通风系统40，通过板38与喷嘴42而进入到此板上的粒料中，使床36流化。
用点火式燃烧器或类似装置(未示明)点燃床36中的粒状燃料。当床36中的燃料温度达到一预定水平时，便将另外的粒料连续地加到床36的上部。用风闸41a控制促进燃料燃烧之空气的速度，使之超过床36的最低流化速度，以形成鼓泡、循环或混合式的流化床。
当燃料燃烧而吸附剂粒料在加热炉段12中起反应时，经喷嘴42连续流放的空气形成了下述粒料的一个均匀流化床，此种粒料包括不燃烧的燃料、部分燃烧的燃料与完全燃烧的燃料以及未反应的吸附剂、部分反应的吸附剂与完全反应的吸附剂，由于板38的倾斜形式以及此有向空气喷嘴42在加热炉段12朝向后壁24的作用，粒料就会因重力作用而流向壁24中的孔，并通过此孔与斜管78而进入分离器-冷却器46。
空气与气态的燃烧产物向上通过床36，夹带或淘选此床中的较细粒料。最终形成的烟道气混合物，则在其经孔20a从加热炉段12排出之前，借对流而向上进入此加热炉段，然后进入分离段14。旋风分离器14a按常规的方式从此烟道气中分离所夹带的粒料。这些分离出的粒料或分离出的固体物则借重力落入漏斗14b中，并从这里通过浸入管44返注回床36中。较清洁的烟道气则通过孔26a进入热回收段16，并在经出口28a自该反应器排出之前通过段16。
分离器-冷却器46最初是不含粒料的，而当需要对它充料时，可启动空气管道80将空气排入斜管78，促进加热炉段12的床36中的粒料经斜管78流向分离器-冷却器46。这同从喷嘴42朝向分离器-冷却器46定向排出的空气相结合，确保了加热炉段12中较大粒料能输送到分离器-冷却器46。一旦此分离器-冷却器46为来自加热炉段12的粒料所充填，经空气管道80到上述斜管78的空气即被截止。来自导管64的另一股空气在风闸64a的控制下引入到压力通风段62a内。这股空气向上通过板38并通过喷嘴42，使流入分离器-冷却剂46中的粒料流化。风闸66a按需要控制成将空气经由导管66引入压力通风段62b。这股空气也向上通过板38与喷嘴42，使分离器-冷却剂46中的粒料进一步流化。经导管64与66进入分离器-冷却器46中之空气，分别受到风闸64a的严格控制，而由之去控制粒料流入分离器-冷却器46的程度、此种粒料的流化程度与它最终形成的高度、以及为空气所夹带因而从较粗粒料中分离出去的较细粒料量。此空气与所夹带的细粒经由通风管82，向上通过分离器-冷却器46而返回到加热炉段12。
在上述方式下经导管64与66引入分离器-冷却器46中的空气，除去了其中粒料中所含的热量，促使未经分离的较粗粒料流向排出管70。此空气的速度、因而流入分离器-冷却器46中粒料的程度、此种粒料在其中流化的程度以及在其中所形成的高度均可通过改变风闸64a与66a的位置分别按要求控制到所需程度。
在排出阀70a打开来将粒料从分离器-冷却器46排出之前，可允许粒料在分离器-冷却器46中停留一段预定的较长时间。
据此可以看到，本发明的此种装置能够提供一系列优点。例如可以用一种较小型的分离器-冷却器来实现流化床加热炉中粒料的再循环，这是因为由于从其加热炉段除去了某些粒料，并储存于分离器-冷却器内而后从其中排出，这样便防止了它们再循环回加热炉段，从而便减小了再循环的流量。此外，由于从分离器-冷却器再循环回加热炉段的粒料量可以减少，因而便不会加大此反应器上部加热炉段的载荷，这样就能改进反应器的化学计量条件，同时可减少为使夹带的粒料从烟道气中分离出去所需分离段的尺寸与费用。
此外，由于能够减少从分离器-冷却器再循环到加热炉段的那种所夹带的粒料量，就能提高进入分离器-冷却器中的空气流量与速度，用以防止粒料在分离器-冷却器中积聚，同时能提高分离器-冷却器的冷却效率。
再有，任何较大的粒料，例如废料与错配料等，都被转送至此分离器-冷却器，最终从反应器中排出。
最后，与连续式的循环作业相比，这里通过间歇式循环作业方式，分离器-冷却器中的固体物料就能在较高的温度下保持一段较长的时间。这样便又能有较长的滞留时间，用来燃烧床灰中的各种残余可燃物和燃烧分离器-冷却器中的粒料。
在以上所公开的内容中，预计是可以作出种种变更与置换的，而在某些情况下，是可以利用到本发明的某些特征而不相应地利用其它之特征的。因此，理应认识到，后附权利要求书应在广泛意义下和与本发明范围相一致的方式下理解。
权利要求
1.一种流化床反应器，它包括一加热炉段；一个设置在此加热炉段邻近的罐状件；一根连通着此加热炉段与罐状件的导管；一块从此加热炉段起，经上述导管而进入罐状件内的板；用来在上述加热炉段的这块板上形成初始粒料的床的装置；用来让空气通过上述加热炉段中的这块板与粒料，以使此种粒料流化的装置；用来促进上述粒料从加热炉段经导管流向罐状件的装置；以及用来使空气通过上述板和罐状件中的粒料以冷却此种粒料并带走此罐状件较细粒料的装置。
2.如权利要求1所述的流化床反应器，它还包括有用来从上述罐状件中排出所说粒料的装置。
3.如权利要求1所述的流化床反应器，它还包括有处于所说罐状件上部的导管装置，允许前述的空气与罐状件中夹裹的细粒料通入到该加热炉段。
4.如权利要求1所述的流化床反应器，其中，所说的促进装置包括依下述方式来支承前述板的装置，亦即使这块板从前述加热炉段朝下倾斜至该罐状件;
5.如权利要求1所述的流化床反应器，其中，所说的促进装置包括有用来将空气排入前述导管并朝向该罐状件的装置。
6.如权利要求4所述的流化床反应器，其中，所述的让空气通过的装置包括一批由所说板支承的喷嘴，用来接受空气并将此空气注入到该板上方的一个区域中;且其中所说的促进装置包括与这批喷嘴相关联的装置，用以接收前述空气，并将此空气依一朝向该罐状件的方向排送。
7.如权利要求6所述的流化床反应器，它还包括有装置用来终止空气流入上述罐状件与导管，以便终止粒料的流动。
8.一种用来操作一种流化床反应器的方法，它包括如下步骤在一加热炉段形成一初始的粒料床;使气体通过上述加热炉段中的粒料以流化此粒料;使上述粒料从所述初始床通过一邻近此加热炉段的罐状件，以在其中形成一个次生的粒料床;在保持上述第一个通过步骤的同时终止所说的第二个通过步骤;以及将所说粒料从该罐状件中排出。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所说的第二个通过步骤包括有提供一种栅架的步骤，用来支承前述的初始床与次生床，而此栅架是从加热炉段朝该罐状件倾斜。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所说的第二个通过步骤包括有如下步骤使空气对着所说粒料朝该罐状件的方向排下。
11.如权利要求8所述的方法，它还包括有如下步骤使空气通过前述罐状件中的粒料并带走此罐状件中的较细粒料。
12.如权利要求11所述的方法，它还包括有使上述空气与所带走的较细粒料返回到加热炉段的步骤。
13.一种操作流化床反应器的方法，它包括以下步骤使一加热炉中包含有燃料的粒料床流化，将这种粒料的一部分通入到一辅助罐状件中，并于其中储存一段足以使所说燃料燃烧的时间，然后从此辅助罐状件中排出所有的粒料，并终止所说的通过步骤。
14.如权利要求11所述的方法，它还包括有重新恢复通过步骤的步骤。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所说的第二个通过步骤包括有如下步骤提供一栅架用来支承所说的初始床与次生床，并使此栅架从所说加热炉段倾斜至所说罐状件。
16.如权利要求13所述的方法，其中，所说的通过步骤包括使空气对着所说粒料依朝向该罐状件的方向排送的步骤。
17.如权利要求13所述的方法，它还包括有如下步骤使空气通过所说罐状件中的粒料，以冷却此粒料和将较细粒料夹带到前述辅助罐状件中。
18.如权利要求17所述的方法，它还包括有如下步骤使上述空气通过并使所夹带的细粒料返回到所说加热炉段中。
全文摘要
一种流化床反应器及其操作方法，其中一包括燃料的粒料床形成在一加热炉段内。在此加热炉段的邻近设有一分离器-冷却器，用来接收来自此加热炉段内的粒料。此种粒料有选择地通过此分离器-冷却器，并在从该分离器-冷却器排出之前冷却。
文档编号F23C10/26GK1086302SQ93118880
公开日1994年5月4日 申请日期1993年10月8日 优先权日1992年10月26日
发明者伊奎鲍·F·阿布德乌拉莱 申请人:福斯特·惠勒能源公司