专利名称：流化床燃烧系统及其操作方法
技术领域：
本发明涉及一种流化床燃烧系统以及这种燃烧系统的操作方法，特别是涉及一种流化床燃烧系统，以及当该燃烧系统的装填量较低时用气门来控制上部炉子固体的装填量使其保持满装填时的化学计量的操作方法。
流化床燃烧系统已广为人知，它包括一个燃烧段，在该燃烧段中空气通过一个颗粒物料的床层，该颗粒物料包括一种矿物燃料，例如煤，和一种由于煤的燃烧而产生的硫氧化物的吸附剂，空气通过颗粒物料床层是为了使床层流化并促使燃料在较低的温度下燃烧。这些类型的燃烧系统通常用于蒸汽发生器，其中水通过与该流化床的热交换来产生蒸汽，使其有高的燃烧效率和燃料适应性，以及高的硫吸附量和低的氮氧化物排放量。
应用于这些类型燃烧系统的燃烧段中的大部分典型的流化床通常叫做“沸腾”型流化床，其中的颗粒物料床层具有较高的密度且颗粒很细或很分散，比表面较大。其他类型的燃烧系统采用“循环”型流化床，其中流化床层的密度低于典型的沸腾流化床，空气的流动速度等于或大于沸腾床，而且通过该床层的烟气携带着大量的细颗粒达到如此程度，使得烟气基本上被这些细颗粒饱和。
循环型流化床的特点是具有较高的内外固体循环量，这使得其对燃料的热释放模式不敏感，从而减小了温度波动，因而使硫的排放量稳定在一个较低水平。高的外部固体循环量是通过在燃烧段的出口配置一个旋风分离器来达到，该旋风分离器用于接收烟气和由烟气从流化床携带出的固体。该固体在旋风分离器中与烟气分离，分离后的烟气通过一个热量回收区域，而固体则通过一个密封槽或密封阀返回炉子。所有的燃料都被燃烧掉，而且燃烧热被形成燃烧室内部轮廓的水/蒸汽冷却管表面和热量回收区域所吸收。循环增进了分离器的效率，而由此引起的硫吸附剂有效利用和燃料停留时间的增加减少了吸附剂和燃料的消耗。
在这种类型的装置中，提供给流化床的一次空气量必须控制使其低于完全燃烧所需的理论量，以减少氮氧化物(NOx)的释放。因此，为了达到完全燃烧，应在流化床的上部加入足够量的过热或二次空气，保持一个一次空气对二次空气的比例。
然而，在低装填量的情况下要保持这种必要的一次空气/二次空气的比例就成了问题。特别是，当装填量减少时，固体的循环或者装填也减少，从而减少了固体的停留时间和硫氧化物(SO2)的吸收。我们解决此问题的方法是增加初始空气的量。然而，这将破坏必要的一次空气对二次空气的比例，导致NOx释放量的增加。
在这些类型的流化床中，也可使用粒度范围相对较宽的颗粒燃料。例如，一种典型的床层可以含有直径为350-850微米的较粗颗粒和直径为75-225微米的较细颗粒，较粗颗粒在炉子的底部形成一个密床层，较细颗粒由烟气带出并循环返回。这将导致粗颗粒的携出减少，造成粗物料密床层的不稳定，从而导致床层物料的迟滞或阻塞，并使炉子底部压力发生波动。
因此，本发明的一个目的是提供一种系统和方法，其中，在低装填量的条件下，能保持必需的一次空气对二次空气的比例，从而保证与满装填量条件时相同的NOx释放量和SO2吸收量。
本发明的另一个目的是提供一种上述类型的系统和方法，其中固体的循环或者装填量不会减少到不可接受的程度。
本发明的再一个目的是提供一种上述类型的系统和方法，其中二次或过热空气的加入得到准确的控制，以保持必要的一次空气对二次空气的比例，在允许有效的固体循环和携出以保证SO2的充分吸收同时，能减少NOx的释放。
本发明还有一个目的是提供一种上述类型的系统和方法，其中在较低装填量时，在固体装填量不显著减少时也能保持化学计量。
本发明的一个进一步的目的是提供一种上述类型的系统和方法，其中炉子底部的迟滞或阻塞得到减少。
结合附图，通过对本发明的优选的但非限制性的实施例的详细描述，对上述的简单描述以及本发明的其他的目的、特点和优点进行进一步的说明。附图中
图1是描述本发明的系统的简图;
图2是沿图1中的2-2线的放大截面图。
这两个附图描述了本发明的用于产生蒸汽的流化床燃烧系统，它包括一个直立的水冷包体(enclosure)，用标号10来表示，它具有一个前壁12和一个后壁14，以及两个侧壁。为了清楚起见，仅示出了壁12和14。包体10的壁由大量由细长散热片相连接起来的管子按常规的方式形成一连续的气密的结构。包体10的上端用顶板16密封，而下端包括底板18。
在包体10中安装了一隔板20，它在前壁12和后壁14之间延伸。隔板20由许多从后壁14向内弯曲的带翅片的管子构成。一些板(未示出)插入这些弯管之间形成一种沿长度方向的气密连接。隔板20包括一个沿底板18延伸并平行于壁12的垂直部分20a以及一个以该垂直部分上端向后壁14延伸的倾斜部分20b。
第二个隔板22安装在隔板20之下，它也是由后壁14的垂直面向外弯曲许多管子所构成。隔板22由三个部分构成。第一个部分22a从底板18向垂直隔板20a平行隔开地向上延伸。第二部分22b从垂直部分22a的顶部成角度地朝着靠近隔板20a和20b的结合部分的方向延伸。第三部分22c在22b的上端与后壁14之间延伸。
如图1和图2所示，在倾斜隔板20b中排列有三个不同水平上的开口(opening)30a，30b和30c。中间的开口30b相对于通道30a和30c具有交错的间距。一系列的通道(duct)32a、32b，32c分别与开口30a，30b，30c配套。通道32a中安装有许多气门34a，通道32c中安装有许多气门34b。气门34a和34b由一种普通的气门控制机构35按常规方式机械地连接，气门34a、34b以及控制机构35的操作方法将在后面讨论。
包体10由隔板20和22分隔成燃烧室36、过热或二次空气的压力通风室38和循环室40，并由壁20a，22a和22b限定出溢流室42中，这将在后面详细描述。
一种煤进料系统44与后壁14毗邻并沿其延伸。该煤进料系统由倾斜隔板22c支撑，并与倾斜隔板20b中的开口20c配套，用于向炉子36中输送含燃料的颗粒物料。由于进料系统44按常规方式操作而将燃料分布于燃烧室36的底部，将不对其作进一步的详细说明。应该了解的是，一种颗粒吸附材料也能加入到燃烧室36中以便吸收由于燃料的燃烧而产生的硫化物。这种吸附材料可以通过进料系统44加入，或者通过任何包体的任意壁上的开口(未示出)单独加入。
一水冷却板50从通过包体10的底部的方向延伸。许多垂直延伸的空气分配器喷嘴52安装在由冷却板50形成的相应开口中。冷却板50与底板18隔开并与壁12，20a，22a和14分别限定出空气压力通风室56a-56c。底板18和冷却板50在后壁14之外延伸形成一个空气压力通风室56d。一个水平板14c从后壁14之外延伸并与冷却板50保持相应的间距以形成一个入口导管57。空气压力通风室56a-56d适应于通过相应导管58a-58d从外部气站(未示出)接收空气，并通过喷嘴52按需要选择性地分配这些空气。
燃烧室36中的颗粒燃料和吸附剂(以后简称为“固体”)由从压力通风室56a送来的空气进行流化，该空气向上通过板50。每个喷嘴52都是按常规方式设计的，它含有一个控制装置以便能控制空气通过的速度。这些空气可以促进燃烧室36中的固体中的燃料的燃烧，得到的燃烧气体和空气的混合物(以下简称烟气)通过强制对流在燃烧室36向上升，并可携带一部分固体而在燃烧室中的给定高度形成一个低固体密度的物料柱，而在该给定高度之上固体密度保持相对稳定。
空气通过相应的喷嘴52选择性地通入到溢流室42、循环室40和入口导管57中。其中喷嘴52如已转让给本发明的申请人的USP5，054，436中所述。
一种常规的旋风分离器60毗邻包体10延伸并通过一个管62与之相连。管62从包体10的后壁14中的出口通道向旋风分离器壁的入口62a延伸。一个漏斗部分60a从旋风分离器60向下延伸。
旋风分离器60按照下面将要叙述的方式从燃烧室36接收烟气以及携带出的固体，并按常规方式操作，在离心力的作用下从烟气中分离出固体。
从旋风分离器60中分离出的固体在重力作用下向下进入漏斗部分60a，然后由此进入并通过一个浸入管64而进入入口导管57。该分离出的固体从入口导管57通过后壁14底部的一个开口14b而进入循环室40。该固体通过隔板22b中的开口22d而进入溢流室42，然后通过隔板20a中的开口20d而进入燃烧炉36。该物料循环的实际过程在上面提到的专利中进行了描述。
一对垂直分开的过热空气管66和68(见图1)与后壁14的开口配套，用于分别向空气压力通风室38和循环室40输送过热或二次空气。虽然附图中没有标清楚，但可以知道的是形成隔板22c的管道不带翅片，以便从管68来的过热或二次空气可以通入到压力通风室38中。
可以理解，一个蒸汽桶(未标出)安装在包体10的上面，许多气管(header)(未标出)安装在上面描述的各种壁和隔板的端部。许多下水管、管道、上水管、气管等也用来构成一个蒸汽和水的循环流动系统。
在操作过程中，固体经过开口20c通过进料系统44而进入燃烧室36。另一种选择是，吸附剂也可以通过包体壁中的开口(未示出)而单独加入。从外部气源来的空气加入到沿燃烧室36下面延伸的压力通风室56a中。该空气以足够的量和速度通过安装在燃烧室36中的喷嘴52，并流化在其之后的固体，形成上面描述的循环流化床。将每个喷嘴52调整到使从其中出来的空气的速度按从图1看去，从右到左的顺序增加，即，最靠近壁12的喷嘴中出来的空气的速度相对较高，而最靠近垂直隔板20a的喷嘴中出来的空气的速度相对较低。
一种点火喷枪(未示出)或其类似物用于点燃固体中的燃料，此后，燃料物质靠燃烧室36中产生的热量在燃烧室36中自己燃烧。烟气将向上通过燃烧室36并携带大部分的固体。由空气压力通风室56a通过喷嘴52而进入燃烧室36内的空气的量应根据固体的颗粒大小来确定以使循环流化床能够形成，即，固体应流化这样的程度使能够形成大量的携带。这在燃烧室36的上面部分和在燃烧室的较靠近前壁12的底层部分发生，而在燃烧室36的底层部分会形成粗物料的较密床层。从燃烧室该底层部分通入上层部分的烟气(如流向箭头A所示)基本上被固体饱和。然而，在燃烧室36中较靠近隔板20a的区域，由于该区域中的喷嘴52溢出的空气速度较低，有一部分相对较粗的固体从烟气中分离出来，如流向箭头B和C所示。大部分该分离出的固体掉在倾斜隔板20b上，靠近该隔板底部部分浓度最大，然后滑入燃烧室36的底部部分的密床层，在此处与循环室40中回到燃烧室36的固体进行混合。
按照上述方式通过喷嘴52进入燃烧室36的空气量应进行控制使其低于燃料颗粒完全燃烧所需的量。过热或二次空气由管道66和68输送至压力通风室38中，再由此在气门34a和34b的控制下由管道32a，32b和32c进入燃烧室36。因此，过热空气按有效控制量输入使达到完全燃烧，并保持最佳化学计量和上部炉子装填量。上部炉子装填量通过控制上部气门34a和下部气门34b的位置来控制。当炉子装填量减少时，调整上部和下部气门的位置以保持相对于炉子装填量的合适的上部炉子装填量。
燃烧室36上部的饱和烟气出来后进入管道62再进入旋风分离器60，在旋风分离器60中固体与烟气分离。由旋风分离器60分离出的固体通过浸入管64，由室40返回燃烧室36。
本发明的方法和系统具有以下优点1、由于过热空气是由管道32a、32b和32c通过倾斜隔板20b而放出，而倾斜隔板20b的位置接近包体10的中心，过热空气与从喷嘴52出来的一次空气及燃料颗粒的混合有助于提高燃料颗粒的燃烧效果。
2、空气以足够的量通入压力通风室56b-56d，使得从入口导管57到燃烧室36都保持一种流化状态以保证流动。
3、气门34a和34b使炉子在部分装填的条件下能达到与满装填时同样的NOx释放水平。
4、倾斜隔板壁部分20b对分离的粗物料提供一种“回滑”效果，这促进了循环固体的混合并避免了阻塞。
5、从压力通风室38导入的二次或过热空气由气门34a和34b精确地控制，以保持必要的一次空气对二次空气的比例。从而在保证足够的固体循环与携带以保证SO2充分吸收的同时，能够减少NOx的释放。
6、通过减少由喷嘴52进入炉子36的一次空气的量，并增加流经气门34a、34b和隔板20b的过热空气的量，使得在低装填时的化学计量也能保持。
应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以对上述内容进行一些改变。其他的改进，改变和替换已暗含在上述说明书中，并且在某些情况下，本发明的某些特性在没有其他特性同时使用时也可被采用。因此，合适的是，应将所附的权利要求按照所要求的保护范围在较宽的范围内进行理解。
权利要求
1.一种流化床燃烧系统，包括一个包体；一安装在所述的包体中的隔板，该隔板将限定出一个燃烧室和一个过热空气压力通风室；一个在所述的燃烧室中形成的可燃颗粒物料的床层；用于向所述的床层通入空气的设备，通入空气的量足以使所述的物料流化而不使其完全燃烧；用于向所述的过热空气通风室通入过热空气的设备，过热空气通过所述的隔板进入所述的燃烧室中，过热空气量足以使所述的物料完全燃烧；以及用于控制进入所述的燃烧室的过热空气的流量的设备。
2.按照权利要求1的系统，其中所述的用于通入过热空气的设备包括多个隔开的并与所述的包体配套的过热空气管道。
3.按照权利要求1的系统，其中所述的用于通入过热空气的设备包括多个延伸穿过所述的隔板的开口。
4.按照权利要求3的系统，其中所述的用于通入过热空气的设备还包括多个与所述的开口相配套的管道。
5.按照权利要求4的系统，其中所述的用于控制进入所述的燃烧室的过热空气流量的设备包括一个气门，该气门安装在所述的多个管道中的至少一个之上。
6.按照权利要求1的系统，该系统还包括第二块隔板，该第二块隔板安装在所述的过热空气通风室中并形成一个循环室。
7.按照权利要求6的系统，该系统还包括一个分离室，该分离室用于接收从所述的燃烧室出来的烟气和携带出的颗粒物料的混合物，并将所说颗粒物料从所述的烟气中分离出来。
8.按照权利要求7的系统，该系统还包括用于将从所述的分离室中分离出的物料通入所述的循环室，并从该循环室返加到所述的燃烧室的设备。
9.按照权利要求8的系统，该系统还包括用于流化所述的循环室的设备。
10.按照权利要求9的系统，该系统还包括用于以不同的速度导入空气并通过所述的燃烧室的设备，以便从所述的循环室到所述的燃烧室能形成分离的物料的物流。
11.按照权利要求10的系统，该系统还包括在所述的隔板中形成的开口，该开口使所述的分离的固体能通过所述的循环室进入所述的燃烧室。
12.按照权利要求11的系统，其中至少一部分所述的包体的壁是由管道形成，该系统还包括使流体流化循环的设备，该设备用于使流体通过所述的管道，并将燃烧室中产生的热量传递给所述的流体。
13.按照权利要求12的系统，其中所述的流化循环的设备还包括，相对于所述的循环室中的分离的物料，使所述的流体通过热交换器设备，将所述的分离物料的热量传递给所述的流体，以控制从热交换室回到燃烧室的该分离物料的温度。
14.一种流化床燃烧方法，包括如下步骤在一个燃烧室中维持一个可燃物料的床层;向所述的床层中通入空气，空气的量足以流化所述的物料但不足以使所述的物料完全燃烧;具向过热空气压力通风室中通入过热空气并将其通入所述的燃烧室，该过热空气的量足以使所述的物料完全燃烧;对进入燃烧室的过热空气的通入量进行控制。
15.按照权利要求14的方法，其中所述的向过热空气压力通风室中通入过热空气的步骤包括将该过热空气通过多个管道的步骤。
16.按照权利要求14的方法，还包括下列步骤从所述的燃烧室中排出烟气和携出物料的混合物;从该烟气中分离出该携出物料;将分离的烟气通过一个热量回收室;将分离物料通入并通过所述的循环室;以及沿不同位置改变流态化的空气的速度，以使所述的分离物料从循环室抽出并返回到燃烧室中。
17.按照权利要求16的方法，其中所述的分离物料从所述的循环室通入到燃烧室中与该循环室毗邻的区域中，而且所述的改变流态化空气速度的步骤包括以比燃烧室中驻留部分的空气速度低的速度流化燃烧室中所述的毗邻区域中的物料的步骤，使得该分离物料能从循环室流向燃烧室。
18.按照权利要求14的方法，其中通入所述的燃烧室的流化空气的速度按照从所述的毗邻区域至燃烧室的方向逐渐增加，使得所述的分离物料能从循环室流向燃烧室中的所述的毗邻区域。
19.一种流化床燃烧方法，包括下列步骤在一个燃烧室中维持一个可燃物料的床层;将一次空气通入所述的床层，该空气的量足以流化该物料但不足以使该物料完全燃烧;向所述的燃烧室中通入二次空气;确定一个一次空气对二次空气的预定比例以使所述的物料能完全燃烧;从所述的燃烧室中排出烟气和携出物料的混合物;从该烟气中分离出该携出物料;将该分离物料循环返回燃烧室;使燃烧室在相对较低的装填量下操作从而使所述的循环减少;以一定方式控制进入燃烧室的二次空气的流量，使得在所述的相对较低的装填量下，当所述的循环的减少量低于没有该控制步骤时的减少量时，仍然保持所述的一次空气对二次空气的比例。
全文摘要
流化床燃烧系统及方法，其中在较低装填量时能保持满装填量时的化学计量。该系统和方法包括一个包体，以及一个安装在该包体中使其分成一个燃烧室和一个过热空气压力通风室的隔板。在该燃烧室中形成一个可燃颗粒物料的床层，空气通入该床层，空气的量足以流化该物料但不足以使该物料完成燃烧。过热空气通入该过热空气压力通风室，通过该隔板中的控制气门进入该燃烧室，该过热空气的量足以使该物料完全燃烧。
文档编号F23C10/00GK1107559SQ9411344
公开日1995年8月30日 申请日期1994年12月27日 优先权日1993年12月27日
发明者戴维·哈罗德·迪茨, 沃尔特·罗伯特·坎贝尔 申请人:福斯特惠勒能源公司