专利名称：具有炉汽提-空气系统的流化床反应器及其操作方法
技术领域：
本发明所涉及的是流化床反应器及其操作方法。更确切地说，本发明所涉及的是一种利用汽提-空气系统的流化床反应器，用来减少从反应器炉区排出的废弃的固体的热含量并除去其中的较细的颗粒材料，同时使反应器的燃烧效率得到提高。
利用流化床作为主要的热源的反应器，如燃烧器、蒸汽发生器等，是人们所熟知的。在这些反应器设施中，空气通过反应器的炉区并通过反应器中所包含的颗粒材料床层，其中包括矿物燃料如煤与吸附剂如石灰石的混合物，煤燃烧产生的硫吸附于石灰石中。空气使床层流化并促进燃料的燃烧。
为了改进流化床反应器的污染特性，已知的方法是通过控制流化床反应器中不同区域内的氧量，来使燃料的燃烧分阶段进行。一般来说，使流化床的较低部位中的燃料在超过化学计量条件下燃烧，以减少氮的氧化物的排放。较高的部位则按富氧操作或在氧化条件下操作，以燃料的安全燃烧。
流化床的每一部位中都含有燃料颗粒和吸附剂颗粒的均匀的混合物，其中燃料颗粒一部分未被燃烧，一部分部分燃烧，一部分完全燃烧;同时，吸附剂颗粒一部分未曾反应，一部分部分反应，一部分完全反应。系统内的颗粒材料必须有效地排出，以便引入新鲜的燃料和吸附剂。从这一方面来看，一般有一部分的颗粒材料经由床层的较低部位再通过一个排出管脱离反应器系统。
已经发现，可以通过将已脱除的这部分颗粒材料循环返回炉区来有效地控制流化床内的颗粒大小分布，而颗粒大小分布是一项重要的操作参数。常用的方法是将空气鼓风吹入已脱除的颗粒材料中，汽提并收集颗粒材料中的细粉部分，并使之返回炉区。
例如，在一项转让给本发明的受让人的专利U.S.P.4829912中(在此列为参比技术)，公开了流化床反应器中颗粒大小分布的控制方法。其中，从炉区脱除的颗粒材料，其中较细的部分与较大的固体颗粒经汽提分离，通过空气喷嘴收集，再循环返回炉区。未汽提且不循环的送入炉灰处理系统与反应器系统脱离。但是，由于这部分不循环的颗粒材料的温度超过了常用的炉灰处理系统的设计温度，因而在进入炉灰处理系统之前须先经冷却。在这些类型的设施中，不循环颗粒材料所含的热量可以作生产性应用，如预热支持燃烧的气体，或用于再热或过热等任务。
设置在反应器炉区附近的汽提器/冷却器，即能使已脱除的颗粒材料中的细粉循环，又能使已脱除的但不循环的颗粒材料冷却。在这些类型的设施中，汽提器/冷却器中第一部分的汽提器经过排出管从流化床较低部位收集颗粒材料。空气吹过汽提器部分以汽提或收集颗粒材料中的部分细粉，这部分细粉再返回到炉区。所剩留的颗粒材料通常再通过汽提器/冷却器中第二部分的冷却器，除去热量的方法可以是用水或蒸汽与颗粒材料进行热交换，也可以是吹入空气，然后排放到炉灰处理系统。
上述的汽提器/冷却器系统并非没有缺点。例如，由于流化床的较低部位通常都维持在低于化学计量的条件下，从反应器炉区脱除的颗粒材料中相当部分是未燃烧的燃料。由于脱除的未燃烧的颗粒材料颗粒尺寸较大不能循环返回流化床，反应器系统不能达到最佳的燃烧效率。未燃烧的颗粒材料经过炉灰处理系统被排放。
不仅如此，颗粒材料从炉区脱除时还带走了热量，减少了炉内可利用的热量，同时还需要冷却系统使之冷却以便于炉灰处理系统的操作，此外，将汽提的颗粒材料返回炉区还需要导管系统。
因此，本发明的目的是提供一种能改进燃烧效率的流化床反应器及方法。
本发明进一步的目的是提供一种上述类型的流化床反应器及方法，其能够减少从反应器炉区脱除的颗粒材料的热含量。
本发明更进一步的目的是提供一种上述类型的流化床反应器及方法，其中一部分炉区中的化学计量关系能独立于炉区的其余部分进行控制。
本发明再进一步的目的是缩小用于从流化床反应器接受颗粒材料的汽提器/冷却器的规模。
为了实现上述这些目的及其它目的，本发明的反应器和方法为进入流化床通常排入汽提器/冷却器或炉灰处理系统的部分的空气流的增加提供了面积。空气流的增加是通过气室的分隔来实现的，气室使床层流化并增加进入床层排出部分的流化空气的体积流速。或者，可以扩大在排出部分的将流化空气从气室送往床层的空气分配器喷嘴，以减少气流阻力而增加空气流。
下面结合附图和以下所述的对本发明的优选的但非限定性的实施方案的详细描述对本发明的上述的简述和进一步的目的、特征以及优点进行详述说明。
附图简要说明
图1为本发明的流化床反应器的截面图;
图2为沿图1中2-2线所作的横截面图;
图3与图1相似，但表示的是本发明的另一种实施方案。
图1表示的是本发明的一种流化床反应器，一般用标号10来代表。反应器10中包括一个一般为矩形的炉区12，由炉壁14、16、18和20所限定(图2)。在炉区12的底部有气室的底板22，再加上顶盖部分(未表示于图中)构成了整个系统。
可以理解，如果反应器10用于发生蒸汽的目的，则炉壁14、16、18和20将由多个平行的热交换管形成且具有气密性，以输送待加热的流体如水。同样可以理解的是，每一炉壁14、16、18和20的两端将设置多个集流管(未表示于图中)，再加上附加的管线和与之结合的流路，所起的作用和常规的方式一样是确定通过反应器10及和蒸汽鼓(图中未表示)之间往返的流体流路。为表示方便起见，这些组件在附图中被省略。
在炉区的较低部位水平安置了多孔板2，用来支承颗粒材料床层(一般用标号25表示)。床层25由分离的燃料物质的颗粒组成，例如沥青焦，这些颗粒物质可以按任何已知的方法用喂料器之类的设施引入炉区12。可以理解，吸硫物质如石灰石可以按同样的方法吸入炉区12，用来吸附燃料燃烧所产生的硫。
同样可以理解的是，在板24之上通过炉壁14可以安装一个点火燃烧器(图中未表示)，用来在开工时使床层25点火。
板24和底板22之间限定的空间为气室26，有二个垂直的隔板28和30将其分隔成二个气室区26a和26b(图2)。气室区26a通过导管32在缓冲器32a的控制之下从外部源接受压缩气体如空气。气室区26b通过导管34在缓冲器34a的控制下从外部源接受压缩气体。由此，气室区26a和26b的压力可以分别地加以控制。下面还将说明分别控制的原因。
从板24引伸并穿过多孔板的喷嘴组36，用来使空气从气室区26a和26b排放到床层25中相应的床层部分25a和25b，这二部分直接位于相应的二个气室区的上部，气室区分别使相应的床层部流化。气室区26b位于床层部分25b之下，床层的这一部分通常排入汽提器/冷却器部分或炉灰处理系统，从而与炉区12脱离。因而，通过控制缓冲器34a而控制进入气室26b的空气，可以达到使床层区25b相对于床层25其余部分实现选择性的区域流化，从而在流化床内创造一个汽提-空气区域。
流经流化床层部分25a和25b的空气，无论是来自气室区26a或26b，都使床层25流化以促进燃料的燃烧，并与燃烧的产品结合而形成燃烧烟道气，通过对流在炉区12中上升。烟道气中含有一部分较细的颗粒材料，通向下游部分进入一个分离区(图中未表示)和一个热回收区(图中未表示)。
冷却器40位于炉区12的炉壁16附近，其形状通常为矩形，由壁42、44、46、48(图2)，以及底板50和顶盖52所限定。壁42、44、46和48通常用耐热衬里板制成。但是，可以理解的是，如果反应器10是用于发生蒸汽的目的，则这些壁可以用多个热交换管结合多个集流管构成，其流路同前文所述。
板54位于冷却器40的较低下的部位，且水平置放并处于和板24同一平面，其与底板50之间有一定间隔，在其间形成气室56。可以理解，板54不必置于板24的同一平面。两导管58和60从外部源接受气体如空气，在间隔的位置上与气室56沟通，以分别控制气室56中不同部分的压力，下文还将述及。缓冲器58a和60a分别设置在导管58和60上以提供独立的控制。
垂直的隔板62从底板50向上将气室56分为二个区56a和56b，并且将冷却器40分为位于气室区56a上部的冷却器区40a，以及位于气室区56b上部的冷却器区40b。在隔板62与壁46之间形成通路62a(图2)，使冷却器区40a中的颗粒材料可以进入冷却器区40b。
板54是多孔性的，其上设置了喷嘴组64，将气室56的排放空气导入冷却器区40a和40b并使颗粒材料流化，同时可以使冷却器区40a中的颗粒材料经由通路62a引入冷却器区40b，并导向穿过板54上扩大的孔洞与冷却器区40b相连的排出管(图中未表示)。
炉区12的壁16上的开孔和与之相邻的冷却器40的壁42上的开孔之间，有一个较大的通常处于水平位置的导管66连接，使得炉区12的床层区25b中的颗粒材料可以进入冷却器40的冷却器区40a中。
操作时，颗粒燃料与吸附剂引入炉区12后积聚在板24上。来自外部源的空气经导管32与34进入气室26，再通过板24和喷嘴36进入板上的颗粒材料中，使床层25流化。
点火燃烧器(图中未表示)或类似的设施，用来使床层25中的颗粒燃料点火燃烧。当床层25中的颗粒材料的温度达到一预定的水平时，再加入的颗粒材料连续地到达床层25中较上的部位。空气促进了燃料的燃烧，同时，空气的流速用缓冲器32a和34a控制使之超过床层25流化速度的最小值。对经由喷嘴36引入的空气的体积流速也须加以控制，使床层25的较低部位在化学计量条件之下操作，以减少污染物的生成。为了使燃料完全燃烧，通过空气口(图中未表示)向炉区12的较高部位提供辅助的空气。
当燃料燃烧且吸附剂颗粒进行反应时，通过喷嘴36进入的连续空气流形成了颗粒材料的均匀的流化床层25，其中包括未燃烧的燃料、部分燃烧的燃料、完全燃烧的燃料，以及未反应的吸附剂、部分反应的吸附剂、和完全反应的吸附剂。
经过导管66将床层区25b中的颗粒材料排出，从而为新鲜的燃料和吸附剂提供了空间。通过分别调节缓冲器32a和34a，使进入床层区25b的空气流速大于进入流化床层25其余部分亦即床层区25a的空气流速。进入床层区25b的较高的空气流速从排出固体中汽提了较细的颗粒材料，防止了较细的颗粒进入导管66。较高的空气流速同时使床层区25b中氧的含量相对高于床层25较低部位其余部分的氧含量，从而促进了燃料的燃烧。增加床层区25b中空气流速的第三方面的影响是，促进了床层区25b向烟道气的传热。
需要时可以打开缓冲器58a，使空气经过气室区56a引入到冷却器40的冷却器区40a，以促进颗粒材料经由导管66从床层区25b向冷却器区40的流动。喷嘴组64引导空气吹动冷却器区40a中的颗粒材料并在隔板62附近流动。隔板所起的作用是使颗粒材料在经由排出管(图中未表示)从冷却器区40b进入炉灰处理系统(图中未表示)之前，增加它在冷却器40中的停留时间。空气的流速、颗粒材料流入冷却器40的程度、所需要的流化和冷却的程度等，都可以通过改变缓冲器58a和60a的位置并根据需要分别加以控制。流入冷却器40中温度较低的空气可以移去颗粒材料的热量，并可用作为炉区12中的辅助燃烧空气。或者，在需要时可以利用在系统结构加上适当的开孔和通路等其它的方式。此外，冷却器40中颗粒材料的滞留热可以通过冷却器40的壁中或设置在冷却器40中的热交换器(图中未表示)中的传热流体来转移。
由此，可以看出本发明的设置和方法具有多方面的优越性。例如，通过气室26的间隔，从炉区12排出的床层区25b中的化学计量关系可以不同于炉区的其它部分而独立地进行控制。从而，可以增加床层区25b的空气流以提高床层区的化学计量条件而不影响床层25其余部分的化学计量条件。床层区25b的化学计量条件提高后促进了燃烧，使从炉区12移出的未燃烧燃料减少。不但如此，较大的空气流汽提了床层区25b中较细的颗粒材料，防止了它的排出。于是，冷却器40不再需要汽提器部分及其相关的用于输送汽提材料返回炉区的导管等，减少了反应器系统的大小和成本。此外，空气流速的增加促进了颗粒材料的热量向烟道气的转移，冷却了床层区25b中的颗粒材料，因而减少了颗粒材料向炉灰处理系统输送前的冷却量。
本发明的流化床反应器和方法的另一种优选的实施方案如图3所示。所提供的炉区68与炉区12相似，由壁70、72和二个侧壁(图中未表示)限定。炉区68的底部有底板74，再加上顶盖(图中未表示)，构成整个系统。
气室76位于炉区68的较低的部位，由底板74和多孔板78所限定。与前一实施方案不同，气室76未被间隔，用单一的导管80引入流化空气，由缓冲器80a进行控制。
板78支承了包含床层81a和81b的颗粒材料床层81。穿过多孔板78有二组喷嘴82a和82b，用于将空气从气室76引入床层区81a和81b。如图3所示，喷嘴82b使床层区81b流化，而喷嘴82a使床层区81a流化。喷嘴82b的截面积大于喷嘴82a的截面积，因而对空气的阻力也低于喷嘴82a，空气的体积流速则高于喷嘴82a。由此，可以实现床层区81b相对于床层81的其它部分即床层区81a的选择性区域流化。
在床层区81b周围用带有耐热衬里的材料形成空间86，以间隔床层区81b和床层区81a。在86上有适当的开孔86a和86b，使得颗粒材料和空气在床层区81a和81b之间可以流动。
与冷却器40相同的一个冷却器(图中未表示)设置在炉区68附近，从床层区81b经由导管88接受颗粒材料，其方式及其目的都和前一实施方案中有关的叙述相同。
在操作时，图3所示的实施方案所发挥的功能基本上与前一实施方案的情况相同，唯一的差别是使进入床层区81b的空气流增加所用的方法。如前所述，流化空气体积流速的增加是通过使进入床层区81b的气流阻力的减少而实现的，空气体积流速的增加汽提了较细的颗粒材料，提高了化学计量的关系，冷却了排出的材料，但并不需要分隔气室76并分别地控制每一气室区的空气流速。
这样，这一替代的优选实施方案提供了前一实施方案的前述的所有优点，同时减少了必需的组件数量。包容空间86的增加所提供的额外的好处，是减少了床层区81b和流化床层81其余部分之间的相互作用。
可以理解，在不偏离本发明的范围的情况下对前述的实施方案还可作出许多变动。例如，将图1和图2所示的实施方案中主动控制与图3所示的实施方案中的被动控制相结合，可以用来使流化床层内部形成汽提-空气区。此外，图3的实施方案中的包容空间86可以引入到图1与图2的实施方案中，并用多个热交换管与发生蒸汽的流路相结合来使之形成。再如，导管66和88可以分别用从床层区25b和81b向下延伸的垂直导管来代替，而且冷却器可以设置在相应的炉区的下面。
前面的公开内容包含了其它的变化和替代。在某些情况下本发明的某些特征可以在并不相应地应用其它特征的情况下加以应用。因而，所附的权利要求在与本发明的范围相一致的状况下，可以作广泛的解释。
权利要求
1.一种流化床反应器，包括一个炉区；在所述的炉区中支承颗粒材料床层的设施；一个位于所述支承设施下方并与之邻接的气室；使气体从所述的气室通过所述支承设施的相应部分进入所述床层的相应部分并以不同的气体流速选择性地流化所述床层部分的设施；以及将气体流速大于床层其他部分的气体流速的床层部分的颗粒材料从所述炉区脱除的设施。
2.如权利要求1所述的流化床反应器，其中所述的流体通过设施包括分隔所述气室的设施，分隔后的第一部分在所述的一个床层部分的下方并与之邻接，第二部分在所述的另一个床层部分下方并与之邻接。
3.如权利要求2所述的流化床反应器，进一步包括用第一缓冲器控制的第一空气导管，用来从外部源向所述的气室的所述的第一部分提供气体;以及用第二缓冲器控制的第二空气导管，用来从外部源向所述的第二部分提供气体。
4.如权利要求1所述的流化床反应器，其中所述的流体通过设施包括减少流向所述的一个床层部分的气体流流动阻力的设施。
5.如权利要求1所述的流化床反应器，其中所述的流体通过设施包括从所述的气室穿过所述的支承设施向所述的一个床层部分提供气体的第一组喷嘴;以及从所述的气室穿过所述的支承设施向所述的另一床层部分提供气体的第二组喷嘴，所述的第一组喷嘴的横截面积大于所述的第二组喷嘴的横截面积，使得流过所述的第一组喷嘴的气体体积流速较高。
6.如权利要求1所述的流化床反应器，进一步包括从上述支承设施伸展的将所述的一个床层部分与所述的另一床层部分分隔的设施，所述的间隔设施具有开孔可以使所述的颗粒材料在所述的床层部分之间流动。
7.如权利要求1所述的流化床反应器，进一步包括接受所述的脱除的颗粒材料的一个容器，所述的容器包括冷却所述的脱除的颗粒材料的设施。
8.一种流化床反应器，包括一个炉区;在所述的炉区中支承颗粒材料床层的设施;从所述的一个床层部分将颗粒材料从炉区脱除的设施;用气体使所述的颗粒材料床层流化的设施，所述的流化设施对所述的床层部分提供的气量大于所述床层的其余部分。
9.如权利要求8所述的流化床反应器，其中所述的流化设施包括位于所述的支承设施之下并与之邻接的气室。
10.如权利要求9的流化床反应器，进一步包括分隔所述的气室的设施，以便选择性地流化所述的床层部分以及所述的床层的其余部分。
11.如权利要求9所述的流化床反应器，其中所述的流化设施包括从所述的气室穿过所述的支承材料用来向所述的床层提供气体的喷嘴，所述喷嘴中一部分向所述的床层部分提供气体的喷嘴，其横截面积大于向所述的床层的其余部分提供气体的喷嘴的横截面积。
12.如权利要求8所述的流化床反应器，进一步包括在所述的支承设施之上将所述的床层部分与所述的床层其余部分间隔的设施，所述的间隔设施具有开孔使所述的颗粒材料可以在所述的床层部分之间流通。
13.如权利要求8所述的流化床反应器，进一步包括一个接受所述的脱除的颗粒材料的容器，所述的容器包括冷却所述的脱除的颗粒材料的容器。
14.一种减少颗粒材料的热含量并提高其燃烧效率的方法，该颗粒材料是从流化床反应器中较低部位的流化床排出的，这一部分较低部位的床层在低于化学计量关系的条件下操作，所述的方法包括以下步骤选择性地流化床层，向一部分床层提供较大量的流化气体;以及从所述的床层部分排出所述的颗粒材料。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述的流化步骤使相应的床层部分中的化学计量关系得到提高，促进了燃烧，并使热量从颗粒材料转移到流化气体。
全文摘要
一种具有炉汽提-空气系统的流化床反应器以及减少炉排出固体热含量并提高其燃烧效率的方法。该反应器中颗粒材料的床层支承在炉区中。一部分的床层得到较大量的流化气体，提高了该部分床层中的化学计量关系，汽提了该部分床层的颗粒材料中较细的颗粒，增加了向烟道气转移的热量。位于炉区附近的冷却器从该床层部分接受颗粒材料。
文档编号F23C10/24GK1093947SQ9410216
公开日1994年10月26日 申请日期1994年3月1日 优先权日1993年3月1日
发明者斯蒂芬·J·托特 申请人:福斯特惠勒能源公司