專利名稱:兩級(jí)循環(huán)流化床反應(yīng)堆和操作它運(yùn)行的方法
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的循環(huán)(即穩(wěn)定)流化床反應(yīng)堆，這種流化床反應(yīng)堆具有兩級(jí)，即一個(gè)循環(huán)流化床反應(yīng)級(jí)和一個(gè)位于流化床下游的旋流反應(yīng)級(jí)。本發(fā)明還涉及一種操作此反應(yīng)堆運(yùn)行的方法。尤其是，本發(fā)明涉及一種兩級(jí)循環(huán)流化床反應(yīng)堆，其中流化床反應(yīng)室和旋流反應(yīng)容器的尺寸被顯著地減小了。
本發(fā)明具有特殊的應(yīng)用，尤其是可應(yīng)用到絕熱流化床燃燒器、流化床鍋爐和壓縮熱空氣發(fā)生器。在此以及在所屬的權(quán)利要求
中，“絕熱燃燒器”表示一種不含內(nèi)部冷卻裝置的流化床燃燒器;而“鍋爐”表示一種含有內(nèi)部熱吸收裝置的流化床燃燒器，它可采取鍋爐、過熱器、蒸發(fā)器和/或節(jié)熱器熱交換表面的形式。絕熱流化床燃燒器的溫度通常是利用超出燃燒所需的化學(xué)計(jì)算量的壓縮空氣來控制的。另一方面，流化床鍋爐需要非常少的過量空氣，因此熱吸收裝置需設(shè)在流化床中。相反，流化床氣化器利用少于化學(xué)計(jì)算量的空氣。
固體顆粒的流化床中的流態(tài)化狀態(tài)主要取決于顆粒的直徑和流化氣體的速度。當(dāng)流化氣體以大于最小流化速度的較低的速度吹入時(shí)，顆粒的床處于“沸騰”狀態(tài)。歷來，術(shù)語“流化床”表示在沸騰狀態(tài)中的運(yùn)行。這種流態(tài)化模型一般的特征是較為致密的料床具有一本質(zhì)特殊的上床表面，使得煙道氣中輸送或攜帶的料床顆粒(固體顆粒)較少，因此一般不需要對(duì)固體顆粒進(jìn)行再循環(huán)。當(dāng)流化氣體以大于流化狀態(tài)的較高速度吹入時(shí)，料床的上表面逐漸擴(kuò)散而且攜帶的固體顆粒增加，因此為了保持料床中恒定的固體顆粒裝載量，就有必要利用顆粒分離器(如旋風(fēng)分離器)對(duì)固體顆粒進(jìn)行再循環(huán)。
固體顆粒攜帶量取決于流化氣體的速度和高于產(chǎn)生攜帶的料床的距離。如果這個(gè)距離高于傳送分離高度，則攜帶量保持恒定水平，似乎流化氣體處于固體顆粒的飽和狀態(tài)。
如果流化氣體速度增加到高于沸騰狀態(tài)，那么料床就進(jìn)入了“擾動(dòng)”狀態(tài)，并最終進(jìn)入“穩(wěn)定”即“循環(huán)”狀態(tài)。如果在料床中保持一給定的固體顆粒裝載量，并且將流化氣體剛好增加到超過流化狀態(tài)的速度，則料床的密度大幅度急驟下降。顯然，如果要在料床中保持恒定的固體顆粒裝載量，則固體顆粒的再循環(huán)或返回必須等于“飽和”狀態(tài)下的攜帶量。
當(dāng)流化氣體的速度低于上述使料床的密度急驟下降的速度時(shí)，固體顆粒以大大超過“飽和”攜帶量的速率返回到流化床，這對(duì)料床密度的影響并不顯著。以超過飽和攜帶量的速率加到處于沸騰或擾動(dòng)狀態(tài)的流化床上的附加的固體顆粒將易于使包含有流化床的容器被連續(xù)地填高。而流化密度將基本保持恒定。然而當(dāng)流化氣體達(dá)到循環(huán)狀態(tài)所需的較高速度時(shí)，流化密度變成一個(gè)標(biāo)定的固體顆粒再循環(huán)率的函數(shù)。
循環(huán)流化床能使得高速流化氣體和大量的固體顆粒表面在每一單位料床體積中都彼此緊密地接觸。此外，在循環(huán)流化床中，差速(即固體顆粒-流化氣體的相對(duì)速度)比普通流化床要高。因此在從循環(huán)流化床燃燒器中排出的燃燒氣體中，通常具有非常高的顆粒載量。在循環(huán)流化床燃燒器中發(fā)生的燃燒過程也通常較傳統(tǒng)的流化床燃燒器要?jiǎng)×?，并且具有較高的燃燒率。另外，在循環(huán)流化床中高的固體顆粒再循環(huán)率的結(jié)果是，溫度實(shí)質(zhì)上在遍及這種燃燒器的整個(gè)高度上都是均勻的。
傳統(tǒng)的循環(huán)流化床燃燒器工作時(shí)，氣體表面速度高于流化床中等顆粒的臨界速度的許多倍。因此，在排出燃燒器并進(jìn)入下游旋風(fēng)顆粒分離器的燃燒生成氣中，具有非常高的顆粒載量。這種傳統(tǒng)的旋風(fēng)顆粒分離器的高度通常大約為其直徑的三倍，因此，為從循環(huán)流化床燃燒器中去除所夾帶的固體顆粒而被設(shè)計(jì)成具有大直徑的分離器，通常相當(dāng)高并相當(dāng)笨重。這種大的耐高溫的錐形旋風(fēng)顆粒分離器占了傳統(tǒng)的循環(huán)流化床燃燒系統(tǒng)的總費(fèi)用的很大一部分。
如上所述，雖然傳統(tǒng)的循環(huán)流化床反應(yīng)堆具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是要制造并維持這種為保持床處于流化狀態(tài)而需要以所需的速率再循環(huán)所夾帶的固體顆粒的極大的旋風(fēng)顆粒(氣體-固體顆粒)分離器，就對(duì)廣泛商業(yè)性使用這種反應(yīng)堆構(gòu)成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)障礙。
已經(jīng)知道先有技術(shù)的循環(huán)流化床燃燒鍋爐，在燃燒器的夾帶區(qū)(即平行于流動(dòng))中采用了垂直的熱交換襯管壁。這種燃燒器主要依靠通常載有大量固體顆粒的氣體傳遞熱量，并需要一個(gè)非常大的內(nèi)部容積以容納所需的大的熱交換表面。
設(shè)置在傳統(tǒng)循環(huán)流化床燃燒器自由區(qū)(高出料床的區(qū)域)中的襯管壁熱交換表面，肯定具有較完全埋入在流化床中的熱傳遞表面低得多的熱傳遞系數(shù)。另外，它的熱傳遞系數(shù)主要取決于兩個(gè)參數(shù)(a)流化氣體的速度，和(b)煙氣中的顆粒濃濃(即顆粒載量)。而后一參數(shù)本身極大地取決于流化氣體速度和流化床材料的平均粒度。傳統(tǒng)循環(huán)流化床燃燒器上升氣流中顆粒的濃度，大約與氣體速度的3.5-4.5次方成正比。而大約與流化床平均顆粒直徑的3.0次方成反比。值得注意的是，這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于上升氣流中的顆粒濃度的影響，有助于使位于自由區(qū)中的襯管壁熱傳遞表面獲得一合理的熱傳遞系數(shù)，并有助于控制鍋爐在額定和減低的容量下的燃燒溫度。然而在此領(lǐng)域中，需要在不如此強(qiáng)烈地取決于流化氣體速度和流化床平均顆粒直徑的條件下，使流化床燃燒鍋爐具有合理的熱傳遞系數(shù)并控制在額定和減低的容量下的燃燒溫度。
具有如上所述的襯管壁熱傳遞表面的傳統(tǒng)循環(huán)流化床燃燒鍋爐的自由區(qū)的高度，與表面氣體速度的0.5次方成正比，而與表面的熱傳遞系數(shù)成反比。同時(shí)還能表明，顆粒載量和熱傳遞系數(shù)與表面氣體速度的任何變化成正比。后一事實(shí)意味著，如果表面氣體速度下降，則需要為這種給定容量的傳統(tǒng)燃燒器增加自由區(qū)的高度，類似地能夠表明，為了增加這種燃燒器的工作能力，就必須增加自由區(qū)高度，從而就會(huì)使制造這種高工作能力燃燒器的費(fèi)用顯著增加。
與大多數(shù)傳統(tǒng)的循環(huán)流化床燃燒器相反的是，公開于授予Korenberg的美國專利第4469050(它被轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的共同受讓人)中的燃燒器沒有規(guī)定將所夾帶的粒狀料床材料、未燃燃料、粉塵、氣體等直接傳入一個(gè)旋風(fēng)顆粒分離器。而是將所夾帶的固體顆粒和氣體向上傳送進(jìn)入燃燒室的圓筒形上部區(qū)域(即擴(kuò)展的自由區(qū))，在那里進(jìn)一步燃燒。垂直排列的幾排切向噴嘴設(shè)置在這個(gè)圓筒形上部自由區(qū)中并均勻地分布。這樣以足夠的速度將二次風(fēng)切向供入，而且圓筒形上部區(qū)域的幾何特征適于在此上部區(qū)域中提供的旋流(Swirl)數(shù)(S)至少為0.6左右和雷諾數(shù)(Re)至少為18000左右，這對(duì)產(chǎn)生擾動(dòng)的旋流是必需的。
這種擾動(dòng)的旋流能使示于第4469050號(hào)美國專利的燃燒器達(dá)到高于1.5×106千卡/立方米·小時(shí)的特殊的放熱，從而顯著地增加了燃燒率。其直接結(jié)果是，這種燃燒器的“容器”尺寸較其它先有技術(shù)的燃燒器小得多。實(shí)質(zhì)上，與它的下游旋風(fēng)顆粒分離器相比，燃燒容器似乎象一個(gè)襯有難熔襯里的管道。
由于與燃燒容器相比旋風(fēng)顆粒分離器具有較大的尺寸，因此就產(chǎn)生了這樣一種設(shè)想，即通過消除旋風(fēng)顆粒分離器以改進(jìn)這種系統(tǒng)。這一設(shè)想在公開于授予Korenberg的美國專利第4457289號(hào)(已轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的共同受讓人)中的循環(huán)流化床燃燒器中得以實(shí)現(xiàn)，其中全部消除了外部固體顆粒循環(huán)回路而采用“內(nèi)循環(huán)”。為實(shí)現(xiàn)此目的，將一“排氣管”插到燃燒器圓筒形上部區(qū)域的頂部，并取消了外部旋風(fēng)分離器。
公開于第4457289號(hào)美國專利中的燃燒器，與第4469050號(hào)美國專利所公開的燃燒器和其它先有技術(shù)的循環(huán)流化床燃燒器相比，顯著地減少了制造費(fèi)用，其原因是它不需要一個(gè)分離的旋風(fēng)顆粒分離器。然而，與其它這類燃燒器相比，已被證實(shí)它的顆粒捕集效率多少有些下降，特別是當(dāng)燃燒固體煤粒時(shí)如此。另外，第4457289號(hào)美國專利所公開的燃燒器給固體煤粒和傳統(tǒng)的吸硫劑提供了滯留時(shí)間，在一些情況下，吸硫劑可以少于為捕集煤中全部硫所需的量。
以往，在用于燃燒粒狀物料的不循環(huán)或循環(huán)流化床反應(yīng)堆中，待燃物料被供入粒狀材料的料床中或供到其上，構(gòu)成料床的材料通常是燃料灰、吸硫劑(如石灰石)和/或沙子。
與所述的傳統(tǒng)的循環(huán)流化床反應(yīng)堆根本不同的是，本發(fā)明通過利用兩級(jí)循環(huán)流化床反應(yīng)堆克服了上述的問題和缺陷，此反應(yīng)堆具有一個(gè)流化床反應(yīng)(如燃燒)級(jí)和一個(gè)隨后的旋流反應(yīng)(如旋流燃燒)級(jí)。一小部分反應(yīng)氣體(如空氣)從流化床下方供入作為流化氣體，而大部分氣體被供入旋流反應(yīng)級(jí)。這樣大部分氣體切向地供入直立的圓筒形旋流反應(yīng)容器中，以便產(chǎn)生一高擾動(dòng)的旋流，從而使反應(yīng)在流化床和旋流反應(yīng)容器兩者之中以顯著提高的反應(yīng)率進(jìn)行。輸送到流化床反應(yīng)級(jí)中的固體顆粒被帶進(jìn)旋流反應(yīng)容器，在那里它們從其中的氣體中分離出來并再循環(huán)回到流化床中。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種利用一個(gè)旋流反應(yīng)級(jí)的循環(huán)流化床反應(yīng)堆，該旋流反應(yīng)級(jí)在位于流化床下游的圓筒形的帶耐高溫襯里的旋流反應(yīng)容器中提供具有旋流(Swirl)數(shù)至少為0.6左右和雷諾數(shù)至少為18000左右的擾動(dòng)氣體的旋流，從而顯著地提高了反應(yīng)率，并顯著地減小了使氣體和固體顆粒從流化床循環(huán)到旋流反應(yīng)容器所需的體積。因此，本發(fā)明反應(yīng)堆的尺寸顯著地小于先有技術(shù)的循環(huán)流化床反應(yīng)堆。特別地，本發(fā)明的流化床自由區(qū)的高度和內(nèi)徑、以及本發(fā)明的旋流反應(yīng)容器的高度和內(nèi)徑，分別與具有同樣反應(yīng)能力的傳統(tǒng)循環(huán)流化床反應(yīng)堆的流化床自由區(qū)和旋風(fēng)顆粒分離器相比，被顯著地減小了。
本發(fā)明的另一目的是提供一種為使反應(yīng)完成到預(yù)期水平所需流化氣體滯留時(shí)間較短的反應(yīng)堆。根據(jù)本發(fā)明，能夠獲得超過大約1.5×106千卡/立方米·小時(shí)的特殊放熱。
前述優(yōu)點(diǎn)允許顯著地減小尺寸，這樣就可顯著地降低制造本發(fā)明的循環(huán)流化床反應(yīng)堆的費(fèi)用。這一點(diǎn)對(duì)于應(yīng)用本發(fā)明的燃燒器和鍋爐來說將是確實(shí)存在的。例如可以預(yù)測(cè)，按照本發(fā)明建造的燃燒室其內(nèi)部容積可減小若干倍，而應(yīng)用于鍋爐時(shí)，在其燃燒級(jí)所需的傳熱表面面積至少可降低3-5倍。
本發(fā)明的另一目的是提供一種比先有系統(tǒng)具有更高的調(diào)節(jié)比和更易開始運(yùn)轉(zhuǎn)的改進(jìn)的鍋爐。為此本發(fā)明的另一目的是關(guān)于提供一種分離的冷卻流化床，它鄰接于循環(huán)流化床，通過對(duì)冷卻流化床中的固體顆粒進(jìn)行冷卻而后將它們?cè)傺h(huán)回到燃燒級(jí)，而從燃燒級(jí)吸取熱量。冷卻流化床最好以沸騰狀態(tài)流化，并包含有蒸發(fā)器，過熱器和/或埋在沸騰流化床中的節(jié)熱器盤管，節(jié)熱器盤管的進(jìn)一步作用是顯著地減小所需的熱交換表面面積以便高效地傳熱。在整個(gè)系統(tǒng)(循環(huán)流化床反應(yīng)堆以及鄰接的沸騰流化床熱交換器)中，另一個(gè)目的是去除以前使用在先有技術(shù)的循環(huán)流化床反應(yīng)堆上部區(qū)域(蒸汽空間)中的垂直的熱交換襯管壁，從而顯著地降低建造這種系統(tǒng)的費(fèi)用。
為了達(dá)到本發(fā)明的目的，根據(jù)本發(fā)明的用途，在此概括地描述本發(fā)明的實(shí)施。一種操作本發(fā)明的循環(huán)流化床燃燒反應(yīng)堆運(yùn)行的方法，包括(a)提供一包含有一個(gè)粒狀材料的流化床的基本封閉的燃燒反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆包括一個(gè)基本直立的燃燒室和一個(gè)與燃燒室鄰接的基本直立的圓筒形旋流燃燒容器，所述燃燒室和容器的上部區(qū)域通過一管道相連，而且它們的下部區(qū)域可工作地連接，在容器的頂部有一個(gè)基本與容器同軸的圓筒形排氣管;(b)將可燃物質(zhì)供入燃燒室;(c)將第一股壓縮空氣流通過燃燒室底部的一組開口以一定速度供入反應(yīng)堆中，氣流的速度足以使粒狀材料和可燃物質(zhì)以循環(huán)狀態(tài)流化，以便在燃燒室中燃燒所述物質(zhì)的一小部分，從而使粒狀料床材料的絕大部分，燃燒生成氣和未燃物質(zhì)通過所述管道連續(xù)地送出燃燒室而進(jìn)入旋流燃燒容器;(d)將第二股壓縮空氣流通過容器的圓筒形內(nèi)側(cè)壁中的一組開口切向地供入反應(yīng)堆中，以便在容器中旋流燃燒可燃物質(zhì)的大部分，第二股氣流被供入以及容器被構(gòu)成并被運(yùn)轉(zhuǎn)，以使容器中產(chǎn)生的旋流(Swirl)數(shù)至少為0.6左右和雷諾數(shù)至少為18000左右，以便產(chǎn)生其中至少有一個(gè)內(nèi)部逆流區(qū)的擾動(dòng)的旋流，從而增加其中的燃燒率;(e)允許反應(yīng)堆中產(chǎn)生的燃燒生成氣通過旋流燃燒容器中的排氣管排出反應(yīng)堆，而基本上將全部粒狀材料和未燃物質(zhì)保留在反應(yīng)堆中;(f)將粒狀料床材料和任何未燃物質(zhì)收集在旋流燃燒容器的下部區(qū)域，并使它們返回到燃燒室的下部區(qū)域;和(g)通過分別控制第一和第二股氣流流入燃燒室和旋流燃燒容器，以及通過控制燃燒室和容器中粒狀料床材料和待燃物質(zhì)的流動(dòng)，來控制反應(yīng)堆中的燃燒過程。
本發(fā)明的方法可以一種絕熱模式實(shí)行，其中提供的壓縮空氣總量超過燃燒所需的化學(xué)計(jì)算量;或者以不絕熱模式實(shí)行，其中在流化床中裝設(shè)熱交換表面，用于從料床吸取熱量。
一種操作本發(fā)明另一實(shí)施例的循環(huán)流化床燃燒反應(yīng)堆運(yùn)行的方法，包括(1)提供一個(gè)基本封閉的燃燒反應(yīng)堆，它包括(a)一個(gè)包含有一個(gè)以循環(huán)狀態(tài)流化的粒狀材料的流化床的基本直立的燃燒室;(b)一個(gè)與燃燒室鄰接并具有第一熱交換表面的第一冷卻室;(c)一個(gè)具有第二熱交換表面的第二冷卻室，第一和第二冷卻室在其底部區(qū)域有一個(gè)共同的沸騰流化床，和(d)一個(gè)位于第二冷卻室附近并與它以及與燃燒室可工作地連接的基本直立的圓筒形旋流燃燒容器，該容器的頂部有一個(gè)基本與容器同軸的圓筒形排氣管;(2)允許固體顆粒從沸騰流化床流入燃燒室中的循環(huán)流化床，以便控制后一流化床的溫度;(3)將可燃物質(zhì)供入燃燒器中;(4)將第一股壓縮空氣流通過燃燒室底部的一組開口以一定速度供入反應(yīng)堆，氣流的速度足以使粒狀材料和可燃物質(zhì)以循環(huán)狀態(tài)流化，以便在燃燒室中燃燒所述可燃物質(zhì)的一小部分，從而使得粒狀料床材料的絕大部分、燃燒生成氣和未燃物質(zhì)連續(xù)地向上送出燃燒室而進(jìn)入第一冷卻室;(5)向下傳送生成氣和所夾帶的固體顆粒使之通過第一冷卻室，并通過第一熱交換表面從此吸取熱量，而且允許所夾帶的固體顆粒進(jìn)入沸騰流化床;(6)然后將氣體從第一冷卻室傳到第二冷卻室，并允許氣體上升通過第二冷卻室，從而通過第二熱交換表面從此吸取熱量;(7)在第二冷卻室中輸送上升氣體中的含有未燃物質(zhì)的固體顆粒，并將氣體和所夾帶的固體顆粒送出第二冷卻室而進(jìn)入旋流燃燒容器的上部區(qū)域;(8)將第二股壓縮空氣流通過容器圓筒形內(nèi)側(cè)壁中的一組開口切向地供入反應(yīng)堆中，以便在容器中旋流燃燒供入反應(yīng)堆的可燃物質(zhì)的大部分，第二股氣流被供入以及容器被構(gòu)成并被運(yùn)行，以使得在容器中產(chǎn)生的旋流(Swirl)數(shù)至少為0.6左右和雷諾數(shù)至少為18000左右，以便產(chǎn)生其中至少有一個(gè)內(nèi)部逆流區(qū)的擾動(dòng)的旋流，從而增加其中的燃燒率;(9)允許反應(yīng)堆中產(chǎn)生的燃燒生成氣通過旋流燃燒容器中的排氣管排出反應(yīng)堆，而基本上將全部粒狀材料和未燃物質(zhì)保留在反應(yīng)堆中;(10)將粒狀料床材料和任何未燃物質(zhì)收集在旋流燃燒容器的下部區(qū)域，并使它們返回到燃燒室中;和(11)通過分別控制第一和第二股氣流流入燃燒室和旋流燃燒容器，以及通過控制燃燒室、第一和第二冷卻室及容器中的粒狀料床材料和待燃物質(zhì)的流動(dòng)，來控制反應(yīng)堆中的燃燒過程。
除了上述方法以外，本發(fā)明還提供了一種循環(huán)流化床反應(yīng)堆，它包括(a)一個(gè)用于容裝一粒狀材料的流化床的基本封閉的燃燒反應(yīng)堆，此反應(yīng)堆包括一個(gè)基本直立的燃燒室和一個(gè)與燃燒室鄰接的基本直立的圓筒形旋流燃燒容器，燃燒室和容器的上部區(qū)域通過一管道相連，而且它們的下部區(qū)域可工作地連接;(b)用于將可燃物質(zhì)供入燃燒室的裝置;(c)用于將第一股壓縮空氣流通過燃燒室底部的一組開口以一定速度供入反應(yīng)堆中的裝置，該氣流的速度足以使粒狀材料和可燃物質(zhì)以循環(huán)狀態(tài)流化，以便在燃燒室中燃燒所述可燃物質(zhì)的一小部分，從而使粒狀料床材料的絕大部分、燃燒生成氣和未燃物質(zhì)能通過管道連續(xù)地傳送出燃燒室并進(jìn)入旋流燃燒容器;(d)用于將第二股壓縮空氣通過容器圓筒形內(nèi)側(cè)壁中的一組開口切向地供入反應(yīng)堆中的裝置，以便在容器中燃燒可燃物質(zhì)的大部分，容器被建造成可使容器中產(chǎn)生的旋流(Swirl)數(shù)至少為0，6左右和雷諾數(shù)至少為18000左右，以便產(chǎn)生其中至少有一個(gè)內(nèi)部逆流區(qū)的擾動(dòng)的旋流，從而增加其中的燃燒率;(e)一個(gè)位于容器頂部并與容器基本同軸的圓筒形排氣管，以便允許反應(yīng)堆中產(chǎn)生的燃燒生成氣排出反應(yīng)堆，而基本上將所有粒狀材料和未燃物質(zhì)保留在反應(yīng)堆中;和(f)用于將粒狀料床材料和任何未燃物質(zhì)收集在旋流燃燒器的下部區(qū)域、并使它們返回到燃燒室下部區(qū)域中的裝置。
這里附加的附圖為申請(qǐng)文件的一部分，與說明書一起說明了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，并用來解釋本發(fā)明的原理。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)絕熱循環(huán)流化床反應(yīng)堆的示意性垂直斷面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)循環(huán)流化床反應(yīng)堆的示意性垂直斷面圖。
圖3是圖2描述的循環(huán)流化床反應(yīng)堆的示意性平面橫截面視圖A-B-C-D。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)循環(huán)流化床反應(yīng)堆的示意性垂直斷面圖。
圖5、6、7是圖4描述的循環(huán)流化床反應(yīng)堆的另幾個(gè)示意性垂直斷面圖。
圖8和9是適于圖4-7所示反應(yīng)堆使用的可選擇的熱交換器管排布的正視面圖和頂視斷面圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)循環(huán)流化床冷卻堆的示意性垂直斷面圖。
圖11-13是曲線圖，繪出了顆粒載量與作為流化空氣提供給本發(fā)明的三個(gè)燃燒室實(shí)施例的空氣的比例間的函數(shù)關(guān)系。
現(xiàn)在詳細(xì)地參照本發(fā)明的最佳實(shí)施例，在附圖中對(duì)它們進(jìn)行說明。
本發(fā)明的循環(huán)流化床反應(yīng)堆的一個(gè)最佳實(shí)施例由圖1作了描述。如圖所示，本發(fā)明的反應(yīng)堆包括如一個(gè)燃燒器，一般由數(shù)字1表示。根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例，燃燒器1包括一個(gè)流化床燃燒室10，在其下部區(qū)域11含有粒狀爐料的流化床。粒狀床料最好是飛灰、沙子，石灰石的細(xì)顆粒和/或惰性材料。
在加壓含氧氣體，如空氣的作用下，粒狀床料在循環(huán)流化區(qū)沸騰，空氣是通過一組通過支承面13延伸的流化噴嘴12作為一股射流提供的。在燃燒室處于最大工作能力下，通過孔12供入的空氣最好占少于約50%，更好的是占輸入到燃燒室1內(nèi)的總空氣量的約15-35%，即燃燒過程所需要的空氣。正如下面將要詳細(xì)討論的，本發(fā)明的最初目的之一主要是大大減少燃燒器1相對(duì)于傳統(tǒng)循環(huán)流化床燃燒器的尺寸，通過大大減少通過噴嘴口輸入到燃燒器內(nèi)的作為流化空氣的空氣量而達(dá)到了這一目的。這樣，盡管根據(jù)本發(fā)明提供給燃燒器1的超過總空氣量50%的空氣量可以通過流化噴嘴12輸入，通過減少提供給燃燒器1的作為流化空氣的空氣數(shù)量，減小燃燒器1的尺寸的程度可以適當(dāng)?shù)卦黾印?br>加壓空氣源，如一個(gè)吹風(fēng)機(jī)(未示出)，最好把空氣輸入到一個(gè)在支承面13下面的壓力室15或如圖1所示。室15把空氣供給到噴嘴12。一根獨(dú)立管道(未示出)通過支承面13延伸，如果須要從燃燒室10內(nèi)以移去廢渣，如混雜料和/或燒結(jié)灰等等。
燃燒器1還包括把可燃物輸入燃燒器的裝置，最好輸入到燃燒室10的下部區(qū)域11。如這里所用的，這種裝置可以包括任何合適的傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)或氣功輸入機(jī)構(gòu)17。可以是氣體，液體和/或固體顆粒的可燃物可以被輸入燃燒室10的下部區(qū)域的流化床內(nèi)或在其之上。在下部區(qū)域的可燃物進(jìn)行部分燃燒，其程度受到流化氣體內(nèi)可用的自由氧氣的限制。未燃燒的燃料，任何氣態(tài)的易揮發(fā)物質(zhì)和一部分粒狀床料被流化氣體和燃料氣體向上帶入燃料室10的上部區(qū)域16，并通過管道14從上部區(qū)域16排出切向地進(jìn)入相鄰的渦流燃燒器容器20的上部區(qū)域18。
一般知道由上升氣體從循環(huán)流化床輸送的顆粒數(shù)量是氣體流率的3-4次方的函數(shù)。這樣，通過(a)在上升氣體流中保持最大的固體飽和狀態(tài)和(b)增加流化氣體的垂直速率到一個(gè)所希望的水平，是以帶走進(jìn)入渦流燃燒室容器20的上部區(qū)域18，就可獲得較大的固體反應(yīng)表面。對(duì)任何有給定的灰顆粒尺寸分布比的固體燃料，這個(gè)垂直氣體速率必須足夠高，如上所述，但不能太高使得燃燒室10的上部區(qū)域16的耐火磚層強(qiáng)烈地腐蝕，這是由于這個(gè)區(qū)域的很高的灰集中度，如下面所要討論的。
上部區(qū)域18的內(nèi)部表面是圓柱形的，這是為了在這個(gè)上部區(qū)域獲得渦流，如下面要充分討論的。
根據(jù)本發(fā)明，提供了通過開口19，最好是至少兩個(gè)相對(duì)而置的開口19將加壓氣體，如空氣的第二射流切向地供應(yīng)給渦流燃燒器容器20的上部區(qū)域18的裝置。更好一些，在上部區(qū)域18的幾個(gè)聚集點(diǎn)處有一組開口19。如圖1所示，在一個(gè)最佳實(shí)施例中，這組相對(duì)而置的開口垂直地對(duì)正并在整個(gè)上部區(qū)域18內(nèi)相互隔開。(圖1所示的橫斷面圖只須描述垂直的僅一列開孔)。
如這里所實(shí)施的，一個(gè)加壓空氣源，如傳統(tǒng)的吹風(fēng)機(jī)(未示出)把空氣的第二射流輸入如一個(gè)傳統(tǒng)的垂直集流腔(未示出)。在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，空氣的第二射流占了輸入到燃燒器1的總空氣的約65%-85%，即，在最大燃燒能力下，燃燒過程所需要總空氣流。
根據(jù)本發(fā)明，第二空氣以足夠高的速率輸入是很關(guān)鍵的，渦流燃燒器容器20的上部區(qū)域18的內(nèi)表面的幾何性質(zhì)也是很關(guān)鍵的，得到的Swirl數(shù)(S)至少約為0.6，雷諾數(shù)(Re)至少約為18000，這些數(shù)在上部區(qū)域18內(nèi)建立一個(gè)渦流是必須的。制造和操作上部區(qū)域18，使反應(yīng)堆在以最大能力工作時(shí)最好產(chǎn)生最小的這些Swirl數(shù)值和雷諾數(shù)值。另一方面，Swirl數(shù)和雷諾數(shù)不能超出這些在容器20內(nèi)導(dǎo)致不可接受的壓降的值。
這個(gè)渦流使燃燒器1能獲得高于1.5百萬卡/每立方米每小時(shí)的放熱比值，因而大大增加了燃燒率。結(jié)果，與傳統(tǒng)的循環(huán)流化床燃燒器超出床高區(qū)域和熱渦流分離器比較起來本發(fā)明的室10和容器20的尺寸可大大減小。
渦流燃燒器容器20帶有一個(gè)圓柱形排出口21，與上部區(qū)域18的圓柱形內(nèi)表面大致同心地排列。排出口21和容器20的上部區(qū)域18的內(nèi)部必須呈現(xiàn)一定的幾何性質(zhì)，與適當(dāng)?shù)臍怏w速率一起，以便提供一個(gè)上述的必須的Swirl數(shù)和雷諾數(shù)。這些性質(zhì)下面要進(jìn)行解釋，并一般在上述的這里引用的參考文獻(xiàn)“在渦流內(nèi)燃燒一個(gè)評(píng)論”進(jìn)行討論，該出版物特此在這里作為參考。
在燃燒器1內(nèi)的大部分燃料最好在渦流燃燒器容器20的上部區(qū)域18內(nèi)的渦流中在低于熔點(diǎn)溫度下燃燒，這樣就提供了易脆灰條件。
當(dāng)適當(dāng)選擇上部區(qū)域18的長度和橫截面積，切向開口19的橫截面積，和圓柱形排出口21的直徑的尺寸時(shí)(見下文)，在上部區(qū)域18的渦流和伴隨的在其中建立內(nèi)部大反向流區(qū)有效地阻止了除最小固體外的所有固體通過排出口21從上部區(qū)域18排出。
在圖1所示的實(shí)施例中，粒狀床料和任何未燃燃料集存在容器20的下部區(qū)域22，并可以在重力作用下下降，通過口23返回到燃燒室10的下部區(qū)域11，這樣，如果含有明顯數(shù)量的灰的燃料被燒掉，就會(huì)不斷地增加在下部區(qū)域11的床的高度。結(jié)果，必須頻繁地排出這些固體。在容器20的下部區(qū)域20內(nèi)集存的和未流化的固體作為一個(gè)重力床下降，有效地預(yù)防了任何氣體流過口23。
如果容器20的上部區(qū)域18被設(shè)計(jì)和操作以獲得Swirl數(shù)至少約0.6，雷諾數(shù)至少約18，000，燃燒器排出口21的直徑(De)和上部區(qū)域18的直徑(D
)的比，即De/D
(這里定義為x)在約0.4到約0.7范圍內(nèi)，最好在約0、5到約0.6范圍內(nèi)，在工作期間，上部區(qū)域18將呈現(xiàn)內(nèi)部大反向流區(qū)，伴隨三個(gè)之多的同心環(huán)形再循環(huán)區(qū)形成。這種再循環(huán)在傳統(tǒng)渦流燃燒器中(即，不涉及流化床)是已知的，參考上述的這里引用的參考文獻(xiàn)“在渦流內(nèi)燃燒一個(gè)評(píng)論”，對(duì)這種現(xiàn)象做了解釋。這種在上部區(qū)域18內(nèi)的渦流和再循環(huán)區(qū)，把固體從在上部區(qū)域18內(nèi)的氣體中分離。在上部區(qū)域很高程度的渦流結(jié)果大大改善了燃燒強(qiáng)度，并且，作為改善了的固體-氣體熱交換的結(jié)果，在整個(gè)渦流燃燒器容器20內(nèi)溫度大致均勻。
如前所述過的，容器20應(yīng)當(dāng)這樣構(gòu)成，即比值x的值應(yīng)在約0.4到約0.7的范圍內(nèi)。x的值越大，通過容器20的壓降越小，Swirl數(shù)也越大;所以，一般來說，x的值最好高一些。然而，x的值超過約0.7，內(nèi)部反向流區(qū)就不會(huì)充足地形成，從而不能把氣體-固體充分分離。
盡管本發(fā)明的流化床反應(yīng)堆在“循環(huán)”或“快速”流體化狀態(tài)下被流化，但它完全不同于現(xiàn)有技術(shù)循環(huán)流化床反應(yīng)堆，其中(a)它不須要使用一臺(tái)大渦流粒子分離器以便從燃料氣體中分離流化固體，即粒狀床料，未燃燃料，灰等等，和(b)大大減少了通過燃燒室10的上部區(qū)域16的氣體流和進(jìn)入渦流燃燒器容器20的氣體流，這樣容器20的尺寸就比較小。避免需要大渦流分離器和減小室10及容器20的尺寸，將大大減小根據(jù)本發(fā)明的制造的反應(yīng)堆系統(tǒng)的尺寸和價(jià)格。
在工作中，可燃物被送入燃燒室10，對(duì)氣態(tài)和液態(tài)燃料，可燃物可選擇地全部或部分可被直接送入渦流燃燒器容器20，最好通過切向開口19。
第一股加壓空氣的射流以足夠的速率通過流化噴嘴12供給室10，這個(gè)速率可以使粒狀床料和在室10內(nèi)為燃燒部分可燃物而處于循環(huán)狀態(tài)的可燃物沸騰。許多粒狀床料，燃燒后氣體及未燃物繼續(xù)被帶到室10外并通過切向管道14進(jìn)入渦流燃燒器容器20。
第二加壓空氣射流通過容器20的上部區(qū)域18圓柱形內(nèi)側(cè)壁上的開口19切向地進(jìn)入容器20，以旋渦燃燒大部分容器20內(nèi)的未燃物，如大于50%，最好在約65%和85%之間。
這樣供給第二空氣射流，并制造和操作容器20，使得在容器20內(nèi)產(chǎn)生的Swirl數(shù)至少是約0.6，雷諾數(shù)至少是約18，000以便在其中建立具有至少一個(gè)內(nèi)部反向流區(qū)的渦流，從而增加容器20內(nèi)的燃燒率。
在反應(yīng)堆1內(nèi)產(chǎn)生的燃燒后氣體通過渦流燃燒器容器上的排出口21排出反應(yīng)堆?；旧纤械牧畲擦虾臀慈嘉锒紡娜紵髿怏w中分離出，并被保留在容器20內(nèi)，集存在下部區(qū)域22，并最好在動(dòng)作用下通過口23重新循環(huán)到室10的下部區(qū)域18。任何其它的能夠阻止燃料氣體從室10進(jìn)入容器20的傳統(tǒng)固體輸送機(jī)構(gòu)都可以使用，把固體重新循環(huán)回到室10。
本發(fā)明的流化床燃燒器1的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)室10的上部區(qū)域16和容器20的上部區(qū)域18的橫斷面積大大小于同樣容量的傳統(tǒng)循環(huán)流化床燃燒器的相應(yīng)的上部區(qū)域，即超出床高區(qū)域的橫截面積和渦流顆粒分離器的橫斷面積。這就大大節(jié)省了制造本發(fā)明的流化床燃燒器的制造費(fèi)用。
通過把傳統(tǒng)循環(huán)流化床設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用到?jīng)Q定如以所希望容量的25%工作的燃燒室10和容器20的尺寸，即可完成上述的尺寸減小。這就是說，定出室10的上部區(qū)域16和容器20的上部區(qū)域18的尺寸只處理如所希望容量的一個(gè)傳統(tǒng)循環(huán)流化床燃燒器超出床高區(qū)域和渦流顆粒分離器處理空氣流的25%。通過使容器20起一個(gè)渦流顆粒分離器和一個(gè)渦流燃燒器的作用，就可能大大減小尺寸。繼續(xù)這個(gè)例子，當(dāng)燃燒室10和容器20尺寸減小以處理傳統(tǒng)空氣流的25%，傳統(tǒng)空氣流的其余75%作為空氣的第二射流通過開口19切向地送入渦流燃燒器容器20，以旋渦燃燒容器20內(nèi)的大部分可燃物。
這樣，通過選擇通過燃燒室10上的流化噴嘴12和通過渦流燃燒器容器20上的切向開口19供給燃燒器1的相對(duì)空氣數(shù)量，根據(jù)本發(fā)明就有可能減少經(jīng)切向管道14通過室10進(jìn)入容器20流動(dòng)的空氣體積，因而與傳統(tǒng)循環(huán)流化床燃燒器的超出床高區(qū)域和渦流分離器的相應(yīng)橫斷面積相比，相應(yīng)減小了上部區(qū)域16和18的橫斷面積。
如圖所示，圖1描述的實(shí)施例可以包括一個(gè)產(chǎn)生熱燃燒氣體的絕熱燃燒器，即從燃燒室10內(nèi)或渦流燃燒器容器20內(nèi)沒有任何熱量排出。熱氣體就可以作為如生產(chǎn)熱供應(yīng)或把熱供給一個(gè)鍋爐，如現(xiàn)有技術(shù)已知的。這種絕熱燃燒器在高超量空氣下工作，超量空氣的程度取決于被燃燒燃料的燃燒值。
通過控制燃料和空氣的比，可以控制渦流燃燒器容器20內(nèi)的燃燒溫度。通過保持粒狀床料的適當(dāng)?shù)钠骄w粒尺寸將控制流化空氣在室10內(nèi)的表面速度從而在室10及容器2內(nèi)提供一個(gè)平均顆粒懸浮密度足以維持使用特殊燃料的所希望的溫差，則可以控制室10及容器2內(nèi)所希望的溫差，該溫差根據(jù)情況不同而不同。
圖11是一個(gè)曲線圖，示出了在室10和容器2間的溫差△T為50°F(28℃)，100°F(56℃)，150°F(84℃)情況下，圖1所示的燃燒器1的燃燒室的上部區(qū)域16和渦流燃燒器20的上部區(qū)域18內(nèi)的流化床顆粒物料的顆粒載量(KG/M3)是進(jìn)入燃燒器的總空氣流的比例(η)的函數(shù)，總空氣流是經(jīng)室10底部的噴嘴12作為流化空氣引進(jìn)的。這個(gè)曲線圖是基于以6371千卡/公斤的低燃燒值(LHV)的俄亥俄煙煤，3.3的空氣化學(xué)計(jì)算系數(shù)(α)的計(jì)算和假定對(duì)圖1的絕熱燃燒器來說從燃燒器1經(jīng)排出口21排出的燃料氣體的溫度是1500°F而得到的。
如從圖11所見，如通過控制平均顆粒尺寸和流化空氣表面速率使用傳統(tǒng)已知技術(shù)，對(duì)于η＝0.25，通過保持顆粒載量在約31KG/M
和21MG/M
，就可以在室10和容器20間保持100°F和150°F的溫差。
本發(fā)明的方法也可以使用在鍋爐上，從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，鍋爐需要低超量空氣進(jìn)行燃燒，因而在流化床內(nèi)需要較低的吸熱率。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過在燃燒室10的上部區(qū)域16安裝一個(gè)熱交換面即可獲得這個(gè)吸熱率。如圖1中的點(diǎn)劃線所示，熱交換表面可是一個(gè)熱交換器管路排列組25。管路排布組可以有任何適當(dāng)?shù)某叽?，形狀和定位，如眾所周知的技術(shù)，包括一個(gè)垂直管壁。最好，熱交換器管路排列組25可操縱地與一個(gè)生產(chǎn)熱供源或一個(gè)鍋爐上的傳統(tǒng)鍋爐包連接在一起。熱交換器冷卻介質(zhì)可以包括任何適當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)液體或氣態(tài)介質(zhì)，如水或空氣。
用于鍋爐時(shí)，從燃燒器1(圖1)排出的排出氣體最好以傳統(tǒng)已知方式送入鍋爐對(duì)流管束。
在圖1的實(shí)施例中，如果熱交換器管路排列組25是在室10的上部區(qū)域16，渦流燃燒器容器20內(nèi)的燃燒溫度是通過控制在渦流燃燒器20的上部區(qū)域18內(nèi)與給定的切向空氣流率經(jīng)壓力室15的流化空氣流率來控制的。這樣依次控制了從上部區(qū)域16經(jīng)切向管道14運(yùn)到上部區(qū)域18的固體顆粒的數(shù)量，并且，結(jié)果熱交換器管路排列組25的傳熱系數(shù)被改變。
圖1所示的利用了可選擇的然交換器管路排列組25的實(shí)施例中，通過順序地減少容器20中的切向空氣流，然后減少室10中經(jīng)噴嘴12的流化空氣流可以獲得100%以下的燃燒器容量。
圖12是一個(gè)曲線圖，示出了圖1的實(shí)施例在使用了熱交換器管路排列組25的情況下容器20(基本上是通過排出口21排出的燃料氣體的溫度)和室10(基本上是上部區(qū)域16的溫度)間的溫度(攝氏)是室10的上部區(qū)域16內(nèi)燃料氣體內(nèi)流化床粒狀物料的顆粒載量的函數(shù)。這個(gè)曲線圖是基于以6371千卡/公斤的燃燒值(LHV)的俄亥俄煙煤，1.25的空氣化學(xué)計(jì)算系數(shù)(α)的計(jì)算，和假定對(duì)圖1的安裝了熱交換器管道排列組25的燃燒器來說經(jīng)排出口21排出的燃料氣體的溫度是1550°F而得到的。
從圖12可見，如果顆粒載量在50公斤/米
和15公斤/米3之間變化，則可在室10和容器20之間獲得一個(gè)從25℃(40°F)到84℃(150°F)之間范圍很廣的溫差。這個(gè)溫差不取決于總空氣流的比例(η)的值，總空氣流是作為流化空氣引進(jìn)的，而是取決于顆粒載量Z。結(jié)果，設(shè)計(jì)這樣一個(gè)燃燒器，有η≤25%，并且在室10內(nèi)有相對(duì)較低的空氣表面速率，而顆粒載量保持在至少15公斤/米3，如對(duì)一個(gè)溫差(△T)限制在150°F以內(nèi)的給定燃燒器設(shè)計(jì)。
現(xiàn)在回到圖2和圖3，這些數(shù)字說明了一個(gè)特別適用于鍋爐使用的本發(fā)明的實(shí)施例，在鍋爐使用中，希望有一個(gè)高的鍋爐操作彈性。在圖2中使用了同樣的參考數(shù)字來標(biāo)明與圖1中描述的零件相同或基本相同的零件，并且僅僅描述圖2和圖3所示的實(shí)施例不同于圖1所示的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和工作特征。
具體說，示于圖2和圖3的實(shí)施例包括一個(gè)冷卻流化床40(帶熱交換器)，該流化床直接位于鄰近燃燒室10的區(qū)域11處，并由一爐壁30隔開，爐壁30有一與低區(qū)11溝通的開口41，冷卻流化床40包括一個(gè)顆粒物的普通(即鼓泡式)流化床，還包括一個(gè)熱交換表面，例如示于這里的熱交換管裝置42，它含有水或其他冷卻流體，例如象蒸汽，壓縮空氣等，床40由三次壓縮空氣所流化，該三次壓縮空氣經(jīng)開口44來自于增壓室44，如圖示，這些開口可取噴嘴形式。
流化床40包括有顆粒物質(zhì)及其他經(jīng)開口41從低區(qū)11流入床40的固體物，如下面參照附圖2、3所解釋的。燃燒也發(fā)生在流化床40中，熱交換管裝置42作為一個(gè)冷卻環(huán)路對(duì)流化床40進(jìn)行冷卻，被冷卻的固體及燃燒氣體分別經(jīng)爐壁30上的孔45、46離開床40，被爐壁將床40與含在低區(qū)11中的流化床循環(huán)隔開，之后，又進(jìn)入反應(yīng)室10的低區(qū)11，固體物在其中再被流化，穿過管裝置42的流體最好由例如一個(gè)常用鍋爐汽泡(未圖示)供給，并且在其被加熱特別是被汽化后，返回鍋爐汽泡，穿過管裝置42的流體還典型地包括用于過熱的蒸汽或產(chǎn)生壓縮空氣的空氣。
固體從鼓泡流化床40到燃燒室10低區(qū)11的循環(huán)流化床的運(yùn)動(dòng)，最好由特別設(shè)計(jì)的固體再噴射道47(見圖3)推動(dòng)，該再噴射道47具有將固體經(jīng)孔48再噴射回低區(qū)11的高固體再噴射率的能力。再噴射道47在其下方具有分開的饋送流化噴嘴(未圖示)，固體的再噴卸速率由控制空氣饋入這些噴嘴的量而得以調(diào)節(jié)。
流化床40可選擇地由兩個(gè)或多個(gè)分離的床構(gòu)成，它們可以按要求與每一個(gè)有一分開的管裝置相連，或相反。
為了對(duì)本鍋爐實(shí)施例如何改進(jìn)操作彈性的作用有一更好的理解，下面解釋一個(gè)優(yōu)先程序?qū)⑵鋸睦錉顟B(tài)轉(zhuǎn)入全負(fù)載之后降到一個(gè)要求的水平上，從而將其由開始置于運(yùn)行態(tài)。
一個(gè)點(diǎn)火燃燒嘴(未圖示)，它可位于低區(qū)11中流化床高度的上方或下方，隨著第一(流化)空氣流(噴嘴12)，第二空氣流(噴嘴19)一起起動(dòng)，冷卻床流化空氣流(噴嘴44)及固體再噴射空氣流關(guān)閉。當(dāng)室10內(nèi)的燃燒器的耐火材料及其內(nèi)部容積的溫度超過固體燃料的點(diǎn)火溫度時(shí)，將燃料送入燃燒室10中。
當(dāng)固體燃料引燃，隨著，燃燒器的排出氣體溫度升到設(shè)計(jì)水平之后，點(diǎn)火燃燒嘴關(guān)閉，并且由此刻起，一個(gè)絕熱流化床燃燒器系統(tǒng)在高過?？諝庀逻\(yùn)轉(zhuǎn)，并有較最小設(shè)計(jì)能力低的容量。
為了將高過?？諝鉁p至設(shè)計(jì)水平，燃燒供給率增加，使燃燒溫度維持在一不變水平，冷卻床流化空氣及從口47流出的固體再噴射空氣起動(dòng)并保持在需要的速率，從此刻起，燃燒器以其設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行在其最小設(shè)計(jì)能力上。
為了增加設(shè)備的能力，此時(shí)第二氣流(噴嘴19)中的空氣流逐漸增加，并且固體燃料供給速度同步增加，經(jīng)孔47的固體再噴射空氣流相應(yīng)增加，以維持燃燒溫度不變。當(dāng)?shù)诙饬髁鲃?dòng)速率達(dá)到其最大設(shè)計(jì)水平時(shí)，燃燒器可視為達(dá)其全負(fù)載(100%容量)。
這時(shí)，如果氣體排出溫度在其要求水平，即其設(shè)計(jì)水平上，第二束空氣流動(dòng)及燃料速率不再有任何增加，并根據(jù)得到最經(jīng)濟(jì)的燃料燃燒所需的燃料-空氣比加以維持。
如果按以概上述的操作工序反向進(jìn)行。直至點(diǎn)火燃燒嘴關(guān)閉。則可得到反應(yīng)堆的最小能力，即所要求的操作彈性，也就是說，當(dāng)維持要求的燃料-空氣比時(shí)，第二束空氣流(噴嘴19)被減少，直至完全關(guān)閉。同時(shí)，固體再噴射空氣與維持燃燒溫度在一不變水平相稱的情況下被減少。結(jié)果，固體經(jīng)冷卻流化床40的循環(huán)，減少到一相應(yīng)于燃燒器的最小設(shè)計(jì)能力的水平，并且，床40與熱交換管42之間的熱交換過程也被降低。
簡(jiǎn)言之，關(guān)于得到圖2所描述實(shí)施例的高操作彈性的主要點(diǎn)在于如下事實(shí)，即冷卻流化床的熱交換面42可從燃燒過程被逐步“抽出”(當(dāng)然不是物理意義上的)，以保持燃料-空氣比和燃燒溫度在所需要的水平。
另外，上述鍋爐的操作彈性改進(jìn)具有一個(gè)已知循環(huán)流化床鍋爐所沒有的附加長處。具體講，它要求少于一半的熱交換表面以從循環(huán)流化床吸收過剩的熱量，這是由于(a)浸入流化床40中的管狀表面42完全受熱交換過程的影響，與現(xiàn)有技術(shù)循環(huán)流化床鍋爐燃燒室上區(qū)中的垂直管線壁相比，現(xiàn)有技術(shù)中僅有50%的管表面用于熱交換過程;(b)這種系統(tǒng)的流化床熱交換效率高于氣體的，甚至當(dāng)其嚴(yán)重帶有灰塵時(shí)，也高于形成現(xiàn)有技術(shù)循環(huán)流化床鍋爐燃燒室的，垂直管線壁的熱交換效率。
圖13示出，圖2燃燒器1的旋流燃燒容器20的上區(qū)18及燃燒室10的上區(qū)16中流化床顆粒物質(zhì)的顆粒載量(公斤/M3)，為流入燃燒器1中空氣總量所占比例的函數(shù)，該空氣經(jīng)燃燒室10底部的噴嘴12和44，作為流化空氣引入，室10及容器20之間的溫差為45°F(20℃)，90°F(50℃)及150°F(84℃)。本圖的制得系基于對(duì)俄亥俄煙煤的計(jì)算，這種煙煤具有6371大卡/公斤的低發(fā)熱量，1.25的α值，并假定，經(jīng)出口喉道21從燃燒器1排出的廢氣溫度為1550°F。
如從圖13可見，用前述常規(guī)的已知技術(shù)，通過使顆粒載量維持在約75公斤/米3和44公斤/米3，可在室10及容器20間維持一個(gè)90°F或150°F的溫差。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，從流化床的熱吸收，通過使用一個(gè)緊鄰的冷卻流化床40(圖2)及在燃燒室10的上區(qū)16中另外安裝一個(gè)熱交換面實(shí)現(xiàn)。如圖示，例如，圖2中的虛線(包括其可選擇性)，該熱交換面可以包括一個(gè)熱交換管裝置25，關(guān)于管裝置25的結(jié)構(gòu)特性和運(yùn)行特性以及它與燃燒器1的其他性質(zhì)的相互作用，如前面結(jié)合圖1所述的相同。
圖4-7示出又一個(gè)本發(fā)明的實(shí)施例，不需過高或過大的設(shè)備而達(dá)到高容量，這一實(shí)施例比前述其他實(shí)施例提供更高的熱傳遞，同樣的參考號(hào)用以表示圖1和2中描述的相同或大致相同的部件。
在這一實(shí)施例中，燃燒室10的構(gòu)成及功能實(shí)際上與本發(fā)明其他實(shí)施例中的室10相同，最好是，室10中沒有熱交換面，管道14從上區(qū)16延伸進(jìn)有熱交換面的基本垂直的冷卻室50中，如圖示，該熱交換面最好包括常用的熱交換管加襯壁51，入口集流管52及出口集流管54裝設(shè)用于管加襯壁51，作為一種選擇，室10的上區(qū)16也可含有類似的熱交換管加襯壁(未示出)。
燃燒產(chǎn)生氣體、顆粒床物料以及未燃燒的可燃物被帶到這里，通過管道14排出室10，并隨廢氣下降穿過第二室50，在室50底部是一流化床60，以鼓泡狀態(tài)，即非循環(huán)狀態(tài)流化，襯管壁80最好圍繞并包含流化床60。
圖4最清楚地表示出，流化床60以固體形式而不是以氣體形式，經(jīng)室10和50間的溢流口(圖4中以箭頭A表示)，與室10內(nèi)的循環(huán)流化床相通。通過控制流化床60的垂直高度;這一點(diǎn)是通過控制穿過床90下方噴嘴91的流化空氣流完成的;對(duì)溢流壁62，可完成從床60到室10低區(qū)11改變床物料的量。作為熱交換的結(jié)果;該熱交換隨燃燒生成氣體，顆粒床物料及未燃燒的可燃物穿過冷卻室50時(shí)發(fā)生;固體溢流壁62進(jìn)入低區(qū)11將有比室10內(nèi)的固體更低的溫度。其后，室10內(nèi)的溫度可部分地通過控制固體溢流壁62進(jìn)入室10內(nèi)的量來調(diào)節(jié)室10的溫度。
緊鄰冷卻室50的是一個(gè)基本豎直的第二冷卻室70，室50和70共用一個(gè)通用內(nèi)層襯管壁51A，壁51最好構(gòu)成為一個(gè)管板，該管板具有在管間延伸的散熱片，以使管板從其最上點(diǎn)向下，至恰在流化床60頂部上方的高度，為密實(shí)不透情況，以下的管間沒有散熱片，從而由室50的低區(qū)至第二冷卻室70的低區(qū)可形成一個(gè)氣體通路，這樣，在冷卻室50低區(qū)內(nèi)，流化床60上方，由室50傳來的氣體有效地形成一個(gè)U-形彎，進(jìn)入室70底的流化床60上方的第二冷卻室70。
在第二冷卻室70中，燃燒產(chǎn)生的氣體向上流動(dòng)，隨后經(jīng)切向管71從室70上區(qū)流出，進(jìn)入旋流燃燒容器20上區(qū)18，容器20在結(jié)構(gòu)及功能上本質(zhì)說與前述本發(fā)明其他實(shí)施例的容器20的相同，在容器20的底部收集到的固體經(jīng)口23，依靠重力被旋流進(jìn)入室10的低區(qū)11(見圖5和6)，可選擇地，任何相似的常用裝置，例如象非機(jī)械式的流水槽也可使用。
一個(gè)上流通道72設(shè)于室70之內(nèi)或與之緊鄰。如本實(shí)施例，通道72由提供一個(gè)內(nèi)壁51B(見圖5和6)形成，它最好包括一個(gè)如圖所示的襯管壁，壁51B在其上端開口，并有一個(gè)下部開口，以允許包括顆粒床物料及未燃盡的可燃物在內(nèi)的流化床固體進(jìn)入通道72(如圖5中箭頭所示)，在室72的底部有流化氣體噴嘴73，用以在氣動(dòng)傳送區(qū)的流化作用。這樣，通道72內(nèi)的固體向上被攜帶在流化氣體中，并從通道72的上開口端排出，進(jìn)入室70上區(qū)(如圖5中箭頭C所示)。在這點(diǎn)，這些上升的固體由室70內(nèi)的上升氣體攜帶，并經(jīng)管71帶出室70由此，上升氣體的速度必須足夠高，以使從通道72頂部流出的固體作這樣的傳送，最好，這一速度足夠高，并且通道72被構(gòu)成并運(yùn)行，以提供一個(gè)速率，即顆粒固體經(jīng)切向管71進(jìn)入旋流燃燒容器20的速率，要基本等于，或大于顆粒固體從燃燒室10經(jīng)管14排出的速率。
燃燒室10的內(nèi)斷面面積可顯著地小于常用循環(huán)流化床燃燒器的高出床高區(qū)域，一般地說，小4-5倍。
在圖4-7所描述的實(shí)施例運(yùn)行中，室10表面的氣體速度非常高，以提供經(jīng)管14排出的燃燒產(chǎn)生氣體中的所要求的顆粒固體載量，第一冷卻室50中向下的表面氣體速度，它小于燃燒室10中的，沒有高到足以引起破壞腐蝕襯管壁51A，80，或裝于冷卻室50中的其他傳熱面。第二冷卻室70中向上的表面氣體速度亦有相同情況。
經(jīng)管14進(jìn)入第一冷卻室50的燃燒產(chǎn)生氣體帶有大量固體顆粒(即，高顆粒固體載量)，由此，與襯管壁51A，80一起提供一高傳熱效率，盡管比燃燒室10中有稍低的氣體流速。
向上流動(dòng)穿過第二冷卻室70的燃燒產(chǎn)生氣體具有足夠的速度，以便給經(jīng)切向管71進(jìn)入旋流燃燒容器20的氣體提供所要求的顆粒固體載量，即，選定來維持容器20內(nèi)所要求的燃燒溫度的載量。這一載量系由控制室70內(nèi)向上流動(dòng)氣體的速度，及從室72頂部排出的顆粒固體量來調(diào)節(jié)的，如前所述。
由第一、二冷卻室50、70中氣體攜帶的固體部分將與氣體分離并進(jìn)入鼓泡流化床60，存于床內(nèi)的夾雜物和煙灰經(jīng)管85和100，以常用的已知方式被定期清除，床60內(nèi)的流化床物質(zhì)總量，如前所述地通過將床物質(zhì)從床60溢入燃燒室10的低區(qū)11，維持在所要求的水平。
如圖1和2所述實(shí)施例中燃燒發(fā)生在燃燒室10和旋流燃燒容器20中，主要的燃燒部分發(fā)生在容器20中，例如，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，送入燃燒器1的總空氣量的大約70%的過剩量經(jīng)切向空氣入口19送入容器20。
示于圖4-7中的燃燒器的能力，可采用與前述圖1和2中實(shí)施例基本相同的方法，由其100%滿負(fù)荷向下調(diào);反之亦然。
如上所述，圖4-7中的實(shí)施例中，第一冷卻室50中的燃燒產(chǎn)生氣體的速度低于燃燒室10中的氣體表面速度，然而，室50中的氣體速度沒有高到足以對(duì)任何內(nèi)部的傳熱面產(chǎn)生腐蝕破壞作用，在圖8和9中所示本發(fā)明的另一實(shí)施例中，第一冷卻室50中的傳熱面包括熱交換襯管壁80和裝于室內(nèi)的蛇管熱交換盤81兩者。該實(shí)施例可允許第一冷卻室的高度下降并使用一個(gè)更緊湊的傳熱面，帶有大量從燃燒10攜出的顆粒的燃燒氣體經(jīng)管14在蛇管81間向下流動(dòng)，蛇管81最好傾斜12°-15°，以便自然水循環(huán)。與那些熱交換盤管水平放置的裝置相比，本熱交換盤管裝置在給定氣體流過下，對(duì)氣流提供了最小的阻力，而且根本不需要對(duì)室的橫截面積作任何特殊增加。而且，所述水平管裝置根本不提供自然水循環(huán)。另一種情況是，若管盤81為筆直狀態(tài)的話，將會(huì)需要大量管子和很大的集流管。
圖10描述了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，在旋流燃燒容器中具有增強(qiáng)的顆粒分離效率。除去下面所說明的，燃燒器1的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行本質(zhì)上同于圖1所示實(shí)施例，并且使用了同種的參考號(hào)去表示圖1描述過的那些相同部件或大致相同部件。
如上述，旋流燃燒器20也起氣-固分離作用。具體說，容器20的下區(qū)22有一向下收斂(例如一個(gè)漏斗)的形狀，以便通過氣流在上區(qū)18的旋轉(zhuǎn)，收集從氣體中分離出來的顆粒固體，那些由容器20內(nèi)表面滑下的大塊物料，經(jīng)口23卸入返回到燃燒室10低區(qū)11中的流化床。
在旋流分離技術(shù)中已知，一般的旋流分離器的正常運(yùn)行會(huì)被下述情況破壞即氣體(空氣)經(jīng)分離器底部的顆粒收集到向上漏泄進(jìn)入分容器，這一氣體漏泄入旋流分離器底部，如果達(dá)到足夠大，將會(huì)在分離器中提供一個(gè)向上運(yùn)動(dòng)的氣流束，這一流束能將旋流分離效率減少至0。
在本發(fā)明的燃燒器中，這種不希望有的氣體漏泄也會(huì)減少旋流燃燒容器20的顆粒分離效率。最大的分離效率的破壞作用，是由容器中心區(qū)中向上穿過容器20的漏泄氣體產(chǎn)生的。為了破壞任何漏泄氣體向上穿過中心區(qū)的道路，示于圖10中的實(shí)施例裝設(shè)了一個(gè)基本上位于中心，垂直放置的耐火柱82，其直徑大約等于或稍小于出口喉道21的直徑，柱82的作用是，將任何可能漏入容器20底部的氣體轉(zhuǎn)移出容器的中心區(qū)，柱82最好具有一個(gè)圓錐臺(tái)形的頂部。
很明顯地，氣體轉(zhuǎn)移柱可應(yīng)用在這兒公布的本發(fā)明的任一實(shí)施例中，或應(yīng)用在我的美國專利第4，457，789號(hào)所公布的發(fā)明中。例如，它可裝在圖4-7中描述的實(shí)施例的旋流燃燒容器20中。
對(duì)于本領(lǐng)域中的一般技術(shù)人員而言，很明顯，可作出許多對(duì)本發(fā)明上述實(shí)施例的改進(jìn)和改變，而不超出所附權(quán)利要求
及其等同物的范圍，作為一個(gè)例子，盡管本發(fā)明已經(jīng)在流化床燃燒器領(lǐng)域中敘述過，但本發(fā)明還可用在其他使用流化床反應(yīng)堆的應(yīng)用中，例如各種化學(xué)和冶金工藝中。
權(quán)利要求
1.一種操作循環(huán)流化床燃燒反應(yīng)堆運(yùn)行的方法。包括提供一包含在一粒狀材料的流化床的基本上密封的燃燒反應(yīng)堆。所述反應(yīng)堆包括有一基本直立的燃燒室和一鄰接所述燃燒室基本直立的并呈圓筒形的旋流燃燒容器，所述燃燒室和容器的上部區(qū)域通過一管道相連。而它們的下部區(qū)域可運(yùn)行地連接。所述容器的頂部有一個(gè)基本上與容器同軸的圓筒形排氣管。將可燒物質(zhì)供入所述燃燒室的裝置。將第一股壓縮氣流通過所述燃燒室底部的一組開口以一定速度供入反應(yīng)堆。所述氣流速度足以使所述粒狀材料和所述可燃物質(zhì)以循環(huán)狀態(tài)流化，以便在所述燃燒室中燃燒所述可燃物質(zhì)的一小部分。由此所述粒狀料床材料的絕大部分、燃燒生成氣和未燃的物質(zhì)通過所述管道連續(xù)輸送出所述的燃燒室并進(jìn)入旋流燃燒容器。將第二股壓縮氣流通過所述容器的圓筒形內(nèi)側(cè)壁中的一組開口切向地送入反應(yīng)堆，用以在所述容器中旋流燃燒可燃物質(zhì)的大部分，所述第二股氣流被供入和所述容器被構(gòu)成及被操作運(yùn)行，以使在所述容器中產(chǎn)生的旋流(Swirl)數(shù)至少為0.6左右和雷諾數(shù)至少為18000左右，以產(chǎn)生其中至少有一內(nèi)部逆流區(qū)的擾動(dòng)的旋流，由此增加其中的燃燒率，允許反應(yīng)堆中產(chǎn)生的燃燒生成氣通過所述旋流燃燒容器中的排氣管從反應(yīng)堆中排出。而基本上將全部所述的粒狀材料和未燃的物質(zhì)保留在反應(yīng)堆中。將粒狀料床材料和任何未燃的物質(zhì)收集在所述旋流燃燒容器的下部區(qū)域中，并使它們返回到所述燃燒室的下部，和通過分別控制所述第一和第二股氣流流入所述的燃燒室和旋流燃燒容器，以及通過控制所述燃燒室和旋流燃燒容器中的粒狀料床材料和待燃燒物質(zhì)的流動(dòng)，來控制反應(yīng)堆中的燃燒過程。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的一種方法，其中第二股氣流在最大運(yùn)動(dòng)容量下占供入反應(yīng)堆中空氣總量的65%-85%左右。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的一種方法，其中所述待燃燒物質(zhì)包括固體可燃物料。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3的一種方法，其中供入反應(yīng)堆的壓縮空氣總量超過燃燒所需的化學(xué)計(jì)算量。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1的一種方法，其中所述待燃燒物質(zhì)包括液體可燃物料。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1的一種方法，其中所述待燃燒物質(zhì)包括氣體可燃物料。
7.根據(jù)權(quán)利要求
5或6的一種方法，其中所述液體或氣體物料被直接供入所述的旋流燃燒容器中。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1的一種方法，還包括在所述燃燒室的上部區(qū)域中提供熱交換表面以從所述上部區(qū)域吸取熱量的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1的一種方法，其中所述用于供給所述第二股壓縮空氣流的一組開口基本上與所述容器的側(cè)壁垂直地沿其間隔設(shè)置。
10.根據(jù)權(quán)利要求
1的一種方法，還包括下列步驟在反應(yīng)堆中并在所述燃燒室下部區(qū)域附近提供一分離的第二流化床，所述的第二流化床由一基本上垂直延伸的隔板與所述燃燒室中的流化床分開，并以沸騰狀態(tài)被流化，允許流化的粒狀材料從所述的燃燒室通過隔板中的第一開口流入所述的第二流化床，允許流化的粒狀材料從所述的第二流化床通過所述隔板中的第二開口流入所述的燃燒室，和提供一埋入到所述第二流化床中的熱交換表面，用于從此吸取熱量。
11.根據(jù)權(quán)利要求
10的一種方法，包括將從所述第二流化床吸取的熱量供給到鍋爐或生產(chǎn)加熱供應(yīng)源的步驟。
12.操作一種直立流化床燃燒反應(yīng)堆運(yùn)行的方法，該反應(yīng)堆具有一個(gè)燃燒室和一個(gè)相鄰的氣體-固體顆粒分離器，所述燃燒室包含有可燃物質(zhì)和利用第一股壓縮氣流以循環(huán)狀態(tài)被流化的粒狀材料的床，從而使所述粒狀材料的絕大部分，燃燒生成氣和未燃的物質(zhì)向上傳送排出所述的燃燒室并進(jìn)入所述的氣體-固體顆粒分離器，以便在所述分離器中從所述氣體中分離所述所夾帶的粒狀材料部分，并將分離出的粒狀材料返送到所述的燃燒室中，所述氣體-固體顆粒分離器具有基本上為圓筒形的內(nèi)表面，對(duì)所述方法的改進(jìn)包括通過將第二股壓縮氣流經(jīng)所述分離器內(nèi)表面中的一組開口切向地引入所述分離器中，而在所述分離器中產(chǎn)生擾動(dòng)氣體、未燃物質(zhì)和粒狀材料的旋流-此旋流至少具有一個(gè)內(nèi)部逆流區(qū)，以使裝在其中的未燃物質(zhì)旋流燃燒，所述第二氣流和所述分離器的內(nèi)表面的幾何結(jié)構(gòu)形狀共同地適合于在所述分離器中保持旋流(Swirl)數(shù)至少為0.6左右和雷諾數(shù)至少為18000左右，通過分別控制所述的第一和第二股空氣流流入所述的燃燒室和分離器，以及通過控制粒狀料床材料和可燃物質(zhì)流入所述的燃燒室和容器，使得在所述燃燒室中燃燒一小部分可燃物質(zhì)而在所述分離器中燃燒大部分可燃物質(zhì)，和允許在所述燃燒室和分離器中產(chǎn)生的燃燒生成氣，通過一個(gè)位于所述分離器頂部并與分離器同軸的基本為圓筒形的排氣管，從分離器中排出，而基本上將全部所述粒狀材料和未燃物質(zhì)保留在所述分離器中。
13.操作一種循環(huán)流化床反應(yīng)堆運(yùn)行的方法，包括提供一種包含一粒狀材料的流化床的基本封閉的反應(yīng)堆，所述反應(yīng)堆包括一基本直立的腔室和一鄰近所述的腔室的基本直立的圓筒形容器，所述腔室和容器的上部區(qū)域通過一管道相連，而它們的下部區(qū)域可工作地連接，所述容器的頂部具有一個(gè)與容器基本同軸的圓筒形排氣管，將待燃燒的物質(zhì)供入所述的反應(yīng)堆，將第一股壓縮反應(yīng)促進(jìn)氣流通過所述腔室底部的一組開口以一定速制供入反應(yīng)堆，所述氣流速度足以使所述粒狀材料和所述物質(zhì)以循環(huán)狀態(tài)流化，以便在所述腔室中燃燒所述物質(zhì)的一小部分，從而使所述粒狀料床材料、反應(yīng)生成氣和未燃物質(zhì)通過所述管道連續(xù)地輸送出所述腔室并進(jìn)入所述容器，將第二股壓縮反應(yīng)促進(jìn)氣流通過所述容器的圓筒形內(nèi)側(cè)壁中的一組開口切向地供入反應(yīng)堆中，用以反應(yīng)所述物質(zhì)的大部分，所述第二股氣流被供入以及所述容器被構(gòu)成和被操作運(yùn)行，以使得在所述容器中產(chǎn)生的旋流數(shù)至少為0.6左右和雷諾數(shù)至少為18000左右，以產(chǎn)生其中至少有一內(nèi)部逆流區(qū)的擾動(dòng)的旋流，由此增加反應(yīng)率，允許反應(yīng)堆中產(chǎn)生的反應(yīng)生成氣從反應(yīng)堆通過所述的容器中的排氣管排出，而基本上將全部粒狀材料和未燃燒物質(zhì)保留在反應(yīng)堆中，將粒狀料床材料和任何被反應(yīng)物質(zhì)收集在所述容器的下部區(qū)域，并使它們返回到所述腔室的下部區(qū)域，和通過分別控制所述第一和第二反應(yīng)促進(jìn)氣流流入所述的腔室和容器，以及通過控制所述腔室和容器中粒狀料床材料和待燃物質(zhì)的流動(dòng)，來維持反應(yīng)堆中所需的反應(yīng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求
1、12或13的一種方法，其中反應(yīng)堆的內(nèi)表面被襯以難熔的襯里。
15.根據(jù)權(quán)利要求
1或12的一種方法，其中所述第二氣流占供入反應(yīng)堆中的壓縮空氣總量的65%-85%左右。
16.根據(jù)權(quán)利要求
13的一種方法，其中所述第二股氣流大約占供入反應(yīng)堆的反應(yīng)促進(jìn)氣總量的50%以上。
17.根據(jù)權(quán)利要求
13的一種方法，其中所述第二股氣流占供入反應(yīng)堆的反應(yīng)促進(jìn)氣總量的65%-85%左右。
18.根據(jù)權(quán)利要求
1的一種方法，還包括下述步驟提供一垂直延伸的基本為圓柱形的分流柱，它從所述旋流燃燒容器的底部延伸至足以將從所述燃燒室的下部區(qū)域進(jìn)入所述容器的任何氣體向離開容器中心軸線的方向分流的高度，所述分流柱的直徑基本上等于或稍小于所述排氣管的內(nèi)徑。
19.操作一種循環(huán)流化床反應(yīng)堆運(yùn)行的方法，包括提供一種基本封閉的燃燒反應(yīng)堆，它包括(a)一個(gè)包含一以循環(huán)狀態(tài)流態(tài)化的粒狀材料的流化床的基本直立的圓筒形燃燒室，(b)一個(gè)與所述燃燒室鄰接并具有第一熱交換表面的第一冷卻室，(c)一個(gè)具有第二熱交換表面的第二冷卻室，所述第一和第二冷卻室的底部區(qū)域中有一共同的沸騰流化床，和(d)一個(gè)位于所述第二冷卻室附近并與它以及與所述燃燒室工作相連的基本直立的圓筒形旋流燃燒容器，所述容器的頂部具有一個(gè)與所述容器基本同軸的圓筒形排氣管，允許固體顆粒從所述沸騰流化床流入所述燃燒室中的所述循環(huán)流化床中，以控制后一流化床的溫度，將燃燒物質(zhì)供入所述的燃燒室，將第一股壓縮氣流通過所述燃燒室底部的一組開口以一定速度供入反應(yīng)堆，所述氣流的速度足以使所述粒狀材料和所述物質(zhì)以循環(huán)狀態(tài)流化，以便在所述燃燒室中燃燒所述物質(zhì)的一小部分，從而使所述粒狀料床材料的絕大部分、燃燒生成氣和未燃燒物質(zhì)連續(xù)地向上輸送并排出所述燃燒室并進(jìn)入所述第一冷卻室，通過所述第一冷卻室向下傳遞所述的生成氣和所夾帶的固體顆粒，而通過所述第一熱交換表面從此吸取熱量，并允許所夾帶的固體顆粒進(jìn)入所述沸騰流化床，然后將所述氣體從所述第一冷卻室傳入所述的第二冷卻室中，并允許所述氣體通過所述第二冷卻室上升而通過所述第二熱交換表面從此吸取熱量，在所述第二冷卻室中傳送上升氣體中的含有未燃物質(zhì)的固體顆粒，并將所述氣體和所夾帶的固體顆粒傳送出所述第二冷卻室并使它們進(jìn)入所述旋流燃燒容器的上部區(qū)域，將所述第二股壓縮氣流通過所述容器圓筒形內(nèi)側(cè)壁中的一組開口切向地供入反應(yīng)堆，以便在所述容器中旋流燃燒供入反應(yīng)堆中的可燃物質(zhì)的大部分，所述第二股氣流被供入以及所述容器被構(gòu)成并被操作運(yùn)行，以使得在所述容器中產(chǎn)生的旋流(Swirl)數(shù)至少為0.6左右和雷諾數(shù)至少為18000左右，以產(chǎn)生一其中至少具有一內(nèi)部逆流區(qū)的擾動(dòng)的旋流，從而增加其中的燃燒率，允許反應(yīng)堆中產(chǎn)生的燃燒生成氣通過所述旋流燃燒容器中的排氣管排出反應(yīng)堆，而基本上將全部粒狀材料和未燃物質(zhì)保留在反應(yīng)堆中，將粒狀料床材料和任何未燃的物質(zhì)收集在所述旋流燃燒容器的下部區(qū)域，并使它們返回到所述的燃燒室，和通過分別控制所述第一和第二股氣流流入所述燃燒室和旋流燃燒容器，以及通過控制所述燃燒室、第一和第二冷卻室以及容器中的粒狀料床材料和待燃物質(zhì)的流動(dòng)，來控制反應(yīng)堆中的燃燒過程。
20.一種循環(huán)流化床燃燒反應(yīng)堆，包括(a)一個(gè)用于容裝一粒狀材料的流化床的基本封閉的燃燒反應(yīng)堆，所述反應(yīng)堆包括一基本直立的燃燒室和一個(gè)鄰近所述燃燒室的基本直立的圓筒形旋流燃燒容器，所述燃燒室和容器的上部區(qū)域通過一管道相連，而且它們的下部區(qū)域可工作地連接，(b)用于將可燃物質(zhì)供入所述燃燒室的裝置，(c)用于將第一股壓縮氣流通過所述燃燒室底部的一組開口以一定速度供入反應(yīng)堆中的裝置，所述氣流速度足以使所述粒狀材料和物質(zhì)以循環(huán)狀態(tài)流化，以便在所述燃燒室中燃燒所述物質(zhì)的一小部分，從而使所述粒狀料床材料的絕大部分、燃燒生成氣和未燃物質(zhì)能通過所述管道連續(xù)地被傳送出所述燃燒室，并進(jìn)入所述旋流燃燒容器。(d)用于將第二股壓縮氣流通過所述容器圓筒形內(nèi)側(cè)壁中的一組開口切向地供入反應(yīng)堆中、以便在所述容器中旋流燃燒可燃物質(zhì)的大部分的裝置，所述容器被構(gòu)成為在容器中產(chǎn)生的旋流(Swirl)數(shù)至少為0.6左右和雷諾數(shù)至少為18000左右，以便產(chǎn)生其中至少有一內(nèi)部逆流區(qū)的擾動(dòng)的旋流，從而增加其中的燃燒率，(e)一個(gè)位于所述容器頂部并與容器基本同軸的圓筒形排氣管，以便允許反應(yīng)堆中產(chǎn)生的燃燒生成氣從反應(yīng)堆中排出，而將絕大部分所述粒狀材料和未燃物質(zhì)保留在反應(yīng)堆中，和(f)用于將粒狀料床材料和任何未燃物質(zhì)收集在所述旋流燃燒容器的下部區(qū)域并使它們返回到所述燃燒室的下部區(qū)域的裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求
20的一種反應(yīng)堆，其中所述的用于收集粒狀料床材料和未燃物質(zhì)并使它們返回到所述燃燒室下部區(qū)域的裝置包括一個(gè)具有與所述燃燒室下部區(qū)域中的倉口連通的開口的料斗。
22.根據(jù)權(quán)利要求
20的一種反應(yīng)堆，還包括位于所述燃燒室上部區(qū)域中的熱交換表面，用于從所述上部區(qū)域吸取熱量。
23.根據(jù)權(quán)利要求
20的一種反應(yīng)堆，其中所述的用于供給第二股壓縮氣流的一組開口基本上與所述容器的側(cè)壁垂直，并沿此側(cè)壁間隔地設(shè)置。
24.根據(jù)權(quán)利要求
20的一種反應(yīng)堆，還包括一個(gè)設(shè)置在反應(yīng)堆中并靠近所述燃燒室下部區(qū)域的分離的第二流化床，所述第二流化床由一基本上垂直延伸的隔板與所述燃燒室中的流化床隔離，并以沸騰狀態(tài)被流化，用于允許流化的粒狀材料通過所述隔板中的第一開口從所述燃燒室流入所述流化床的裝置，用于允許流化的粒狀材料通過所述隔板中的第二開口從所述第二流化床流入所述燃燒室中的流化床的裝置，和埋入所述第二流化床中用于從此吸取熱量的熱交換表面。
25.一種循環(huán)流化床反應(yīng)堆，包括(a)一個(gè)包含一粒狀材料的流化床的基本封閉的反應(yīng)堆，所述反應(yīng)堆包括一基本直立的腔室和一個(gè)鄰近所述腔室的基本直立的圓筒形容器，所述腔室和容器的上部區(qū)域通過一管道相連，而且它們的下部區(qū)域被可工作地連接，(b)用于將待反應(yīng)的物質(zhì)供入所述反應(yīng)堆中的裝置，(c)用于將第一股壓縮反應(yīng)促進(jìn)氣流通過所述腔室底部的一組開口以一定速度供入反應(yīng)堆中的裝置，所述氣流速度足以使所述粒狀材料和物質(zhì)以循環(huán)狀態(tài)流化，以便在所述腔室中反應(yīng)所述物質(zhì)的一小部分，從而所述粒狀料床材料的絕大部分、反應(yīng)生成氣和未反應(yīng)物質(zhì)通過所述管道被連續(xù)地傳送出所述的腔室并進(jìn)入所述容器，(d)用于將第二股壓縮反應(yīng)促進(jìn)氣流通過所述容器圓筒形內(nèi)側(cè)壁中的一組開口切向地供入反應(yīng)堆中，以便反應(yīng)所述物質(zhì)的大部分的裝置，所述第二股氣流被提供以及所述容器被構(gòu)成并被操作運(yùn)行，使得在所述容器中產(chǎn)生的旋流(Swirl)數(shù)至少為0.6左右和雷諾數(shù)至少為18000左右，以便產(chǎn)生其中至少有一內(nèi)部逆流區(qū)的擾動(dòng)的旋流，從而增加反應(yīng)率，(e)一個(gè)位于所述容器頂部并基本與容器同軸的圓筒形排氣管，以便允許反應(yīng)堆中產(chǎn)生的反應(yīng)生成氣從反應(yīng)堆中排出，而基本將全部所述粒狀材料和未反應(yīng)物質(zhì)保留在反應(yīng)堆中，和(f)用于將粒狀料床材料和任何未反應(yīng)物質(zhì)收集在所述容器的下部區(qū)域并使它們返回到所述腔室的下部區(qū)域的裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求
22或24的一種流化床反應(yīng)堆，還包括與所述熱交換表面工作相連的鍋爐。
27.根據(jù)權(quán)利要求
20的一種流化床反應(yīng)堆，還包括一個(gè)垂直延伸的基本為圓柱形的分流柱，它從所述旋流燃燒的底部延伸至足以將從所述燃燒室下部區(qū)域進(jìn)入所述容器的任何氣體向離開容器中心軸線的方向分流的高度，所述分流柱的直徑基本上等于或稍小于所述排氣管的內(nèi)徑。
28.根據(jù)權(quán)利要求
27的一種循環(huán)流化床反應(yīng)堆，其中所述分流柱的頂部是截頭圓錐形的。
29.一種基本封閉的循環(huán)流化床燃燒反應(yīng)堆，包括一個(gè)基本直立的圓筒形燃燒室，它包含有一個(gè)以循環(huán)狀態(tài)被流化的粒狀材料的流化床，一個(gè)與所述燃燒室鄰接并具有第一熱交換表面的基本直立的第一冷卻室，一個(gè)與所述第一冷卻室鄰接并具有第二熱交換表面的基本直立的第二冷卻室，所述第一和第二冷卻室的下部區(qū)域中有一個(gè)共同的沸騰流化床，一個(gè)位于所述第二冷卻室附近并與它以及與所述燃燒室工作連接的基本直立的圓筒形旋流燃燒容器，所述容器的頂部具有一個(gè)基本上與容器同軸的圓筒形排氣管，以便允許燃燒生成氣從反應(yīng)堆中排出，所述燃燒室和第一冷卻室的上部區(qū)域通過一管道相連，而且它們的下部區(qū)域處于固體顆粒流通狀態(tài)，所述第一冷卻室和第二冷卻室的底部區(qū)域處于固體顆粒和氣體流通的開放狀態(tài)，并且所述第二冷卻室和所述旋流燃燒容器的上部區(qū)域通過一氣口相連，用于允許固體顆粒從所述沸騰流化床流入所述燃燒室中的循環(huán)流化床中以控制后一流化床溫度的裝置，用于將可燃物質(zhì)供入所述燃燒室中的裝置，用于將第一股壓縮氣流通過所述燃燒室底部的一組開口以一定的速度供入反應(yīng)堆的裝置，所述氣流的速度足以使所述粒狀材料和物質(zhì)以循環(huán)狀態(tài)流化，以便在所述燃燒室中燃燒所述物質(zhì)的一小部分并將所述粒狀料床材料的絕大部分、燃燒生成氣和未燃物質(zhì)向上通過所述管道送出所述燃燒室而進(jìn)入第一冷卻室，在所述第二冷卻室中傳輸上升氣體中的含有所述未燃物質(zhì)的固體顆粒、以及將所述氣體和所夾帶的固體顆粒通過所述氣口送出所述第二冷卻室而送入所述旋流燃燒容器上部區(qū)域的裝置，用于將第二股壓縮氣流通過所述容器的圓筒形內(nèi)側(cè)壁中的一組開口切向地供入反應(yīng)堆、以便在所述容器中燃燒供入反應(yīng)堆中的可燃物質(zhì)的大部分的裝置，所述容器能在容器中產(chǎn)生的旋流(Swirl)數(shù)至少為0.6左右和雷諾數(shù)至少為18000左右，以便產(chǎn)生一其中至少有一內(nèi)部回流區(qū)的擾動(dòng)的旋流，以增加其中的燃燒率，用于將粒狀料床材料和任何未燃的物質(zhì)收集在所述旋流燃燒容器的下部區(qū)域中、并使它們返回到所述燃燒室的裝置，和用于控制反應(yīng)堆中燃燒過程的裝置，它是通過分別控制所述第一和第二股氣流流入所述燃燒室和旋流燃燒容器，以及通過控制所述燃燒室，第一和第二冷卻室、和容器中粒狀料床材料和待燃物質(zhì)的流動(dòng)來加以控制的。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種兩級(jí)循環(huán)流化床反應(yīng)堆和操作該反應(yīng)堆運(yùn)行的方法，這種流化床反應(yīng)堆具有兩級(jí)，即一個(gè)循環(huán)流化床反應(yīng)級(jí)和一個(gè)位于流化床下游的旋流反應(yīng)級(jí)。在該發(fā)明中流化床反應(yīng)室和旋流反應(yīng)容器的尺寸被顯著地減小了。
文檔編號(hào)F23C10/10GK87103862SQ87103862
公開日1988年5月4日 申請(qǐng)日期1987年5月29日
發(fā)明者雅各布·科倫搏格 申請(qǐng)人:唐力技術(shù)公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan