[发明专利]循环流化床反应器运行方法及设备

说明书

本发明涉及一种改进的循环（即稳定）流化床反应器，这种流化床反应器具有两级，即一个循环流化床反应级和一个位于流化床下游的旋流反应级。本发明还涉及一种操作此反应器运行的方法。尤其是，本发明涉及一种两级循环流化床反应器，其中流化床反应室和旋流反应容器的尺寸被显著地减小了。

本发明具有特殊的应用，尤其是可应用到绝热流化床燃烧器、流化床锅炉和压缩热空气发生器。在此以及在所属的权利要求中，“绝热燃烧器”表示一种不含内部冷却装置的流化床燃烧器;而“锅炉”表示一种含有内部热吸收装置的流化床燃烧器，它可采取锅炉、过热器、蒸发器和/或节热器热交换表面的形式。绝热流化床燃烧器的温度通常是利用超出燃烧所需的化学计算量的压缩空气来控制的。另一方面，流化床锅炉需要非常少的过量空气，因此热吸收装置需设在流化床中。相反，流化床气化器利用少于化学计算量的空气。

固体颗粒的流化床中的流态化状态主要取决于颗粒的直径和流化气体的速度。当流化气体以大于最小流化速度的较低的速度吹入时，颗粒的床处于“沸腾”状态。历来，术语“流化床”表示在沸腾状态中的运行。这种流态化模型一般的特征是：较为致密的料床具有一本质特殊的上床表面，使得烟道气中输送或携带的料床颗粒（固体颗粒）较少，因此一般不需要对固体颗粒进行再循环。当流化气体以大于流化状态的较高速度吹入时，料床的上表面逐渐扩散而且携带的固体颗粒增加，因此为了保持料床中恒定的固体颗粒装载量，就有必要利用颗粒分离器（如旋风分离器）对固体颗粒进行再循环。

固体颗粒携带量取决于流化气体的速度和高于产生携带的料床的距离。如果这个距离高于传送分离高度，则携带量保持恒定水平，似乎流化气体处于固体颗粒的饱和状态。

如果流化气体速度增加到高于沸腾状态，那么料床就进入了“扰动”状态，并最终进入“稳定”即“循环”状态。如果在料床中保持一给定的固体颗粒装载量，并且将流化气体刚好增加到超过流化状态的速度，则料床的密度大幅度急骤下降。显然，如果要在料床中保持恒定的固体颗粒装载量，则固体颗粒的再循环或返回必须等于“饱和”状态下的携带量。

当流化气体的速度低于上述使料床的密度急骤下降的速度时，固体颗粒以大大超过“饱和”携带量的速率返回到流化床，这对料床密度的影响并不显著。以超过饱和携带量的速率加到处于沸腾或扰动状态的流化床上的附加的固体颗粒将易于使包含有流化床的容器被连续地填高。而流化密度将基本保持恒定。然而当流化气体达到循环状态所需的较高速度时，流化密度变成一个标定的固体颗粒再循环率的函数。

循环流化床能使得高速流化气体和大量的固体颗粒表面在每一单位料床体积中都彼此紧密地接触。此外，在循环流化床中，差速（即固体颗粒-流化气体的相对速度）比普通流化床要高。因此在从循环流化床燃烧器中排出的燃烧气体中，通常具有非常高的颗粒载量。在循环流化床燃烧器中发生的燃烧过程也通常较传统的流化床燃烧器要剧烈，并且具有较高的燃烧率。另外，在循环流化床中高的固体颗粒再循环率的结果是，温度实质上在遍及这种燃烧器的整个高度上都是均匀的。

传统的循环流化床燃烧器工作时，气体表面速度高于流化床中等颗粒的临界速度的许多倍。因此，在排出燃烧器并进入下游旋风颗粒分离器的燃烧生成气中，具有非常高的颗粒载量。这种传统的旋风颗粒分离器的高度通常大约为其直径的三倍，因此，为从循环流化床燃烧器中去除所夹带的固体颗粒而被设计成具有大直径的分离器，通常相当高并相当笨重。这种大的耐高温的錐形旋风颗粒分离器占了传统的循环流化床燃烧系统的总费用的很大一部分。

如上所述，虽然传统的循环流化床反应器具有许多优点，但是要制造并维持这种为保持床处于流化状态而需要以所需的速率再循环所夹带的固体颗粒的极大的旋风颗粒（气体-固体颗粒）分离器，就对广泛商业性使用这种反应器构成了严重的经济障碍。

已经知道先有技术的循环流化床燃烧锅炉，在燃烧器的夹带区（即平行于流动）中采用了垂直的热交换衬管壁。这种燃烧器主要依靠通常载有大量固体颗粒的气体传递热量，并需要一个非常大的内部容积以容纳所需的大的热交换表面。