[发明专利]流化床燃烧反应器及其运行方法

说明书

本发明涉及流化床燃烧反应器及其运行方法。本发明进一步涉及到颗粒材料的流态化冷却床。

流化床系统用于许多工业过程中，在其内固体颗粒与气体之间能获得良好接触，例如一种热交换，多相催化的反应及固体颗粒与气体之间的反应。流化床的原理可以简单地解释为固体颗粒受到下部引入的流化气体的影响，在一定的条件下使固体悬浮成流动性固体颗粒并保持其悬浮状态，但气流速度并不需高到除最小颗粒以外的单个颗粒都能被气流夹带走的程度。在这种情况下，分散的颗粒自由流动，但流动性颗粒呈现出一个上表面，而颗粒具有类似流体的性质，流化床也是由此而得名。很明显，流化床可使气体与固体颗粒间实现大面积接触。

目前，人们将流化床系统用于燃烧固体燃料系统中的兴趣很大。主要的好处是流化床系统适合于各种煤型和可获得相当好的热交换。这种系统中的流动颗粒含有象沙这样的中性颗粒，其中加入少量燃料。中性颗粒因燃烧而受热，在流化床内，循环与合适的热交换器表面接触将热量传递给热交换器。由辐射或气体对流传递给其它燃烧系统中常用热交换器的热量，在某种程度上来说，由颗粒流动所进行的换热来代替的，因而获得了较大的接触面积和增加了固体间的热交换，使得热交换系统（该系数与进行热交换的面积和温度差有关）高于气-固接触所得到的换热系数。

流化床燃烧系统可以严格地控制燃烧参数并使其尽可能地消除废气中某些不希望有的物质，如可方便地掺入床内的反应物，也可尽可能地充分燃烧，燃烧产物中影响环境的成份比起其它燃烧系统要少得多。可是，除有这些优点外，流化床燃烧反应器仍有其自身的缺点，这些缺点中值得注意的是流化床对流化气体的控制比其它燃烧系统更复杂，需延长起动周期，如达到3到10小时，这是由于要加热大量的颗粒的缘故。此外，流化床在部分负荷下运行要完全满意是困难的，调节负荷也很慢。

流化床燃烧系统的传统分类是根据流化气体速度进行分的，在所希望的气流速度范围内运行的流化床反应器分别分为低速床和快速床。

低速床的特征是流化气体速度为1米/秒到3米/秒，这个速度的低限值由燃烧所需的氧气和流化颗粒所需的最低气速所确定。床内颗粒的密度相对高，并在合理的限度内为保持流化所需压力而使床相对浅。可是，床内燃料和气体的停留时间变得太短以致不能保证完全燃烧，因此，低速床燃烧效率不能满意，对废气的清洁的可能性很低。

快速床的特征是流化气体速度的范围大约3米/秒到12米/秒，而大部分床内颗粒由流化气体夹带并扬析重又回到床内，有时也把它叫作循环床，它没有一个明确的表面。它们的燃烧和废气清洁优于低速床，但缺点是需要辅助系统来分离废气内的颗粒和使颗粒重回床内。另一个缺点是所述颗粒和热交换表面的换热系数在较高的气速下，与低速床相比，要差些。

在过去几种设想付之实施之后使低速床和快速床的优点得到巩固。

US专利4111158（Reh    et    evl）公开了一种快速床燃烧反应器，床内进行燃烧，从废气中分离颗粒的旋风分离器和流化床冷却器，其中分离出的颗粒流到一个辅助的低速床内，从而颗粒将自身的热量换和散发给换热表面，上述的系统是很复杂和庞大的，这是所不希望，同时在设计时还要考虑所有传导和输送系统能经受800℃这样的燃烧温度。

美国专利4788919（Holmet    evl）公开了一种较紧凑的燃烧反应器，它包括一个中心燃烧室，燃烧室的底部有一气体入口，而其上部有一辅助气体入口，颗粒从该中心床中扬析出进入顶部空间，在中心流化床周围环绕地设有位于中心床上方的辅助流化床或流态化冷器床使进入顶部空间的颗粒落入辅助流化床内。辅助环形床为低速床，颗粒将其热量传给换热面，之后，借助于自身的重量流回中心流化床。

美国专利4594967（Wolowodiuk）公开了一具有主燃烧床、顶部空间和流态化冷却床的流化床燃烧反应器，冷却床的布置方式是使由主燃烧床内气流夹带的颗粒可进入顶部空间并落到颗粒冷却床内，其中颗粒通过螺旋形管并被冷却，颗粒又从冷却床流过一个阀门落到贮存室内，又从贮存室的底部通过另一个阀门返回主燃烧室。这种设计相当紧凑，但除了将颗粒输入贮存室内使得在冷却床内的部分冷却管不再由颗粒埋没，而达到部分地使用冷却床的可能性外，再要改变冷却段的各种面积关系将是不可能的。可是，当颗粒用于防止管子免遭废气腐蚀的目的和当位于流化流化颗粒最上表面的任一部分管子因颗粒向上喷射并以一定速度撞击管子而引起磨损的情况下，这种运行方式是相当不利的。该文献没有对控制颗粒流动的阀门设计予以考虑，而仅提到阀门可选择性地起作用。因而，就未表示连续的控制设备或使流过冷却床返回到燃烧室的颗粒流量保持恒定的设备。