用于循环流化床反应器的旋风式分离器旁路

摘要

一种操作循环流化床反应器的方法和设备，所述循环流化床反应器具有带有废气排出口的炉膛、具有与所述排出口相连的进口和废气出口的颗粒分离器以及用于所述分离出的固体的回流管道。所述方法包括以下步骤，即布置绕过颗粒分离器的旁路管道；以及沿所述管道传送部分废气流用于增大分离器之后的废气中的飞灰含量。所述旁路管道有利地设有用于控制旁路管道中的废气流量的装置。

说明书

本发明涉及一种操作具有用于从废气中分离出夹带在其中的固体 颗粒的分离器且将分离出的颗粒再循环至燃烧室的循环流化床反应器 的方法和设备。本发明特别地涉及床料的组成，并且设法解决与控制 床装载量和底渣量相关的问题。

循环流化床反应器已经使用了几十年了并且例如对于电力生产领 域的技术人员而言是已公知的。循环流化床反应器可以是燃气发生器、 燃烧器、蒸汽发生器、或者是本领域的技术人员能够认识到的任何其 它相似类型的设备。流化床反应器通常具有立式炉膛或反应室，燃料 从所述炉膛或反应室的下部部分被引入。通常为空气的一次气体和二 次气体被供应通过炉膛的底部和侧壁。燃料的燃烧发生在快速流化床 中，所述快速流化床除燃料颗粒以外通常还包括石灰石。

颗粒分离器通过排出口与炉膛的上端相连通。排气管道将排出口 与颗粒分离器连接在一起。热的废气从炉膛中被排出并且流动通过排 出口和排气管道进入到颗粒分离器中。循环流化床锅炉的颗粒分离器 通常为旋风式分离器。当使用旋风式分离器时，排气管道将带有夹带 了固体颗粒的废气沿切向传送进入到旋风式分离器的上部部分中。所 述旋风式分离器，或其它颗粒分离器如撞击式分离器，将固体颗粒与 热的废气分开，所述固体颗粒依靠重力被供给至分离器的下端。

用于收集固体颗粒的所述颗粒分离器的下端被连接到竖直的回流 管道的上端。回流管道的相对端或下端具有与炉膛相连用于将来自颗 粒分离器的分离出的固体颗粒返回至炉膛的出口。从炉膛底部的除去 的固体颗粒被称作底渣，而随废气离开颗粒分离器的那部分固体物料 被叫作飞灰。

具有用于从废气中分离出夹带在其中的固体颗粒的颗粒分离器例 如旋风式分离器且将分离出的颗粒再循环回到锅炉燃烧室的循环流化 床锅炉是众所周知的。在美国专利No.4,733,621和5,281,398中对 这样的系统的实例进行了说明。在美国专利No.4,733,621中，在旋 风式分离器中被分离出的颗粒通过开口的流动密封阀被再循环到锅炉 中。美国专利No.5,281,398中披露了一种由扁平水管面板制成的离心 式分离器。这种类型的旋风式分离器可与炉膛形成一体，从而使得在 炉膛与旋风式分离器之间不存在排气管道。

在过去的几十年中，用于循环流化床反应器的旋风式分离器已得 到改进，从而使得所述旋风式分离器效率较高。在正常的运行条件下， 所述旋风式分离器可分离出约99.9％的随废气离开燃烧室的固体物料。 将固体颗粒从废气中高效分离出来永远是值得追求的。例如，分离效 率越高，则燃烧效率越高。然而，非常高的分离效率还可为所述工艺 带来一些问题或缺点。例如，这有可能导致相对于飞灰含量产生相对 较高的底渣含量。当底渣的比例较大时，需要进行高效的底渣清除从 而保持所需的床装载量(即床料的组成)处于适当状态。

由于底渣的温度为约600℃至约900℃，因此需要底渣冷却器将底 渣温度冷却降低到约300℃，从而使得所述底渣可以安全地从反应器中 排出。必须从反应器中清除的底渣越多，所需要的用于排出和冷却底 渣的装备就越昂贵(即具有更大的容量)。

例如当燃料品质发生变化使得在床中形成过量的细小颗粒时，非 常高的分离效率也可能成为问题。如果颗粒分离器再循环非常高比例 的细小颗粒，那么所得到的较大的细小颗粒床装载量可能导致例如在 炉膛中产生非常高的传热效率。如果传热速度超过其设计值，那么所 述床具有冷却到更低温度的趋势，例如，从而导致对环境的排放量增 大。

本发明提供了一种经过改进的用于操作循环流化床反应器的方法 和设备。

根据一个方面，本发明提供一种操作循环流化床反应器的方法， 所述循环流化床反应器具有带有废气排出口的炉膛、与所述排出口相 连且具有废气出口的颗粒分离器和用于所述分离出的固体的回流管 道。所述方法包括以下步骤，即布置绕过颗粒分离器的旁路管道；以 及沿所述管道传送部分废气流用于增大分离器之后的废气中的飞灰含 量。

根据该方法，绕过颗粒分离器的废气气流减小了被分离器分离出 的固体颗粒的量，由此固体装载量和炉膛中的底渣积聚量减少。

根据另一个方面，本发明提供一种能够调节床装载量从而使得床 料的组成可保持处于最优状态的设备。优选地，这样一种设备包括炉 膛、用于从炉膛中除去具有夹带的固体颗粒的废气的排出口、与排出 口相连用于从废气中分离出固体颗粒的颗粒分离器(优选地，旋风式 分离器)，所述颗粒分离器具有与废气管道相连的废气出口和与回流 管道相连的固体出口，所述回流管道用于将分离出的固体物料再循环 回到所述炉膛的底部并且将一部分废气传送通过颗粒分离器从而减少 进入所述分离器中的固体材料的量。

所述传送装置有利地包括旁路管道，所述旁路管道的第一端被连 接至颗粒分离器的上游，且所述旁路管道的第二端被连接至位于颗粒 分离器下游的废气管道。

在本发明的一个优选实施例中，所述旁路管道的第一端被连接至 炉膛顶部。

在本发明的另一个优选实施例中，所述旁路管道的第一端被连接 至位于炉膛顶部与颗粒分离器之间的排气管道。

因此，本发明有利地提供了一种用于调节床料组成从而使得底渣 量保持在容许极限值内的新型和经过改进的方法和设备。

除前面提到的更小的和更廉价的底渣处理设备之外，本发明还具 有许多优势。例如，本发明提供了炉膛的操作灵活性，且因此允许改 变底渣与飞灰的比例，更容易改变燃料，热损失更小，且本发明可用 于控制炉膛中的温度和/或传热。

下面，通过对本发明当前优选的示例性实施例进行的以下详细描 述并结合附图，本发明的以上简要描述以及本发明的其它目的、特征 和优点将得到更充分地理解。在所述附图中：

图1是循环流化床反应器的侧剖示意图，图中示出了采用现有技 术的燃烧工艺对废气进行处理的方式；

图2是根据本发明的一个优选实施例的循环流化床反应器的上部 部分的侧剖示意图；

图3是根据本发明的另一个优选实施例的循环流化床反应器的上 部部分的侧剖示意图；和

图4是根据本发明的又一个优选实施例的循环流化床反应器的上 部部分的侧剖示意图。

下面更详细地参见附图，在图1中，图中示出了一种典型的循环 流化床反应器系统10的总体示意图。颗粒状燃料、惰性床料和可能的 辅料例如石灰石通过固体物料进料装置14例如螺旋式进料器或风动进 料器被引入到反应器系统10的炉膛12中。这些固体物料形成受到通 过底部格栅18引入的一次气体16的流化作用的床。在循环流化床中， 炉膛中流化气体的速度典型地为约4m/s至约9m/s。燃料进行的反应， 例如燃烧，由通过炉膛12侧壁22引入的二次气体20而得以实现。

炉膛12中的反应产生气体例如烟道气，所述气体与夹带在所述气 体中的颗粒一起从炉膛12中通过排出口24被排放至排气管道26，且 进一步被排放至颗粒分离器28。在颗粒分离器28中，绝大多数(例如 99.9％)夹带在废气中的颗粒从所述废气中被分离出来，所述颗粒分离 器28通常为旋风式分离器。被分离出的颗粒沿与分离器28底部相连 的回流管道30经过流动密封阀(loop seal)32被输送回炉膛12的下 部部分。

经过净化的废气通过通常布置在分离器顶部的中央气体出口34从 颗粒分离器28排放到废气导管36。在废气导管36中，气体通常通过 热回收区38和除尘器40被输送至烟囱42。废气导管36可包括本领域 的技术人员已公知的其它部件，例如气体净化部件等，但是图1中并 未示出这些部件。

通过排出口24从炉膛12中被排放出的一部分固体颗粒-即所谓 的飞灰-在颗粒分离器28中不从废气中分离出来，而是逸出通过气体 出口34。一部分飞灰可被收集到被布置在废气导管36中的灰斗44中， 但是绝大部分的飞灰被除尘器40收集。不逸出通过气体出口34的那 部分固体物料最终作为底渣46而从炉膛中被排出。虽然底渣的温度通 常为约650℃至约850℃，但是在从反应器10中将底渣排出前，底渣 冷却器48将底渣冷却到更低温度(例如，约300℃)。

在如图2示意性地所示的本发明的第一优选实施例中，炉膛12、 颗粒分离器28、位于其间的排气管道26、回流管道30、气体出口34 和废气导管36的上游部分已被示出类似于图1中所示的内容。图2还 示出了联接在炉膛12的顶部与废气导管36之间的旁路管道50。由于 在炉膛12与废气导管36之间存在压力差，气体与夹带在其中的微细 固体的气流趋向于流动通过导管50，由此绕过颗粒分离器28。

在如图2所示的实施例中，在炉膛12的顶部设有与旁路管道50 的第一端相连的另一个出口开口52。作为另一种可选方式，旁路管道 50的第一端例如可借助支管而被连接到通向排气管道26的同一出口24 上。在又一种可选方式中，旁路管道50的第一端可在出口开口24与 颗粒分离器28进口之间的位置处被连接到排气管道26上。

与旁路管道50的确切位置和结构无关，旁路管道50的目的在于 接收来自炉膛12的一部分废气和夹带在所述废气中的一些固体颗粒， 并且将被接收部分的废气输送至位于颗粒分离器28下游的废气导管 36。这样，一部分固体颗粒必定从流化床循环中被抽出，并且不返回 到炉膛12中。由此，被收集在灰斗44和除尘器40中的飞灰的量增多。 相应地，在炉膛12和颗粒分离器28中进行循环的床料的量减少。最 后，要从炉膛12底部排出的底渣46的量也减少了。在该实施例中， 旁路管道50的尺寸和几何结构决定了被带到旋风式分离器出口流中的 固体的量。

图3示出了本发明的另一优选实施例。在该实施例中，旁路管道 50上设有用于控制旁路管道50中的废气流量的附加装置。在该实施例 中，所述控制装置包括装备有控制阻尼器56例如蝶形阀的气体管路 54。附加的气体管路54用于将气体例如空气引至旁路管道50，从而减 少从炉膛12通过旁路管道50流至废气导管36的废气和固体颗粒的量。 通过使用阻尼器56，可对被引入的气体的量以及旁路气体和颗粒的量 进行调节。当更多气体通过气体管路54被引入时，更少量的废气和固 体颗粒绕过颗粒分离器28。通过管路54的介质例如可以是空气或进行 再循环的烟道气。

图4中示出了本发明的又一优选实施例。在该实施例中，控制装 置包括被直接装设在旁路管道50中的控制阀58。该实施例给出了最大 可能限度的灵活性，这是因为，当废气流入时，旁路管道可在完全封 闭的位置与完全打开的位置之间进行调节。其它适当的控制装置可包 括允许废气和夹带颗粒进入位于颗粒分离器上游的烟道气通道的通路 和端口。

如对于本领域的技术人员而言明显的是，如与结合图2所示的实 施例的描述一样，在图3和图4中旁路管道的第一端还可按照多种不 同的方式与颗粒分离器的上游相连。

与第一实施例相比，第二和第三实施例的结果在于可以更好地对 床料的组成进行控制。也就是说，可对床料的量和颗粒尺寸分布进行 调节从而更好地满足流化床工艺的需求。

旁路管道50可由带有耐火材料衬层的管道或导管制造而成，或者 可以是衬有适当的金属和/或陶瓷材料的管道或部件。不言自明的是： 所述衬层必须能够耐受高温和高速固体。合适的衬层材料对于本领域 的技术人员而言是明显的。

虽然已结合当前被视为优选实施例的实例对本发明进行了描述， 但是应该理解：本发明不限于在此披露的实施例，而使旨在覆盖被包 括在由所附权利要求书限定出的本发明的范围内的技术特征的多种组 合或变型以及应用。