Перепускной трубопровод циклона для реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем
Изобретение относится к области энергетики. Способ управления реактором с циркулирующим псевдоожиженным слоем содержит печь с выпускным отверстием для отходящего газа и сепаратор для отделения твердых частиц от отходящего газа, имеющий входное отверстие, соединенное с выпускным отверстием для отходящего газа посредством трубопровода для отходящего газа, выходное отверстие для газа, соединенное с трубопроводом для отходящего газа, и выходное отверстие для твердых частиц, соединенное с возвратным трубопроводом для рециркуляции твердых частиц обратно в печь. Способ включает стадии: размещения перепускного трубопровода в обход сепаратора для отделения частиц и пропускания частичного потока отходящего газа и унесенных твердых частиц по перепускному трубопроводу из верхней части печи в трубопровод для отходящего газа для увеличения содержания твердых частиц в отходящем газе после сепаратора для отделения частиц. Способ дополнительно включает стадию регулирования потока отходящего газа в перепускном трубопроводе для регулирования количества твердых частиц, пропускаемых в обход сепаратора для отделения частиц. Поток отходящего газа в перепускном трубопроводе регулируют подачей дополнительного газа в перепускной трубопровод. Поток отходящего газа в перепускном трубопроводе регулируют регулирующим клапаном, расположенным в перепускном трубопроводе. Изобретение позволяет снизить вредные выбросы в атмосферу и капитальные затраты. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для управления реактором с циркулирующим псевдоожиженным слоем, имеющим сепаратор для отделения унесенных твердых частиц от отходящего газа и рециркуляции унесенных частиц в камеру сгорания. В частности, изобретение относится к составу материала слоя и направлено на решение проблем, связанных с управлением содержания частиц в слое и количества нелетучей золы.
Реакторы с циркулирующим псевдоожиженным слоем используются на протяжении десятилетий и известны специалистам в области, например, выработки энергии. Реакторы с циркулирующим псевдоожиженным слоем представляют собой газификаторы, камеры сгорания, парогенераторы или любые другие устройства подобного типа, известные специалистам в данной области техники. Реакторы с циркулирующим псевдоожиженным слоем обычно имеют вертикальную печь или реакционную камеру, в нижнюю часть которой вводится топливо. Через дно и боковые стенки печи подаются первичный и вторичный газы - обычно воздух. Сгорание топлива происходит в стабильном псевдоожиженном слое, который, кроме частиц топлива, обычно содержит также известняк.
Сепаратор для отделения частиц находится в сообщении с верхним концом печи через ее выпускное отверстие. Выпускной трубопровод соединяет выпускное отверстие с сепаратором для отделения частиц. Горячий отходящий газ выпускается из печи и проходит через выпускное отверстие и выпускной трубопровод в сепаратор для отделения частиц. Сепаратор для отделения частиц, используемый с котлом с псевдоожиженным слоем, обычно представляет собой циклон. При использовании циклона отходящий газ с унесенными твердыми частицами по выпускному трубопроводу тангенциально вводятся в верхнюю часть циклонного сепаратора. В циклонном сепараторе или другом сепараторе для отделения частиц, например, сепараторе ударного типа твердые частицы отделяются от горячего отходящего газа и под действием силы тяжести проходят в нижний конец сепаратора.
Нижний конец сепаратора для отделения частиц, в котором собираются твердые частицы, соединен с верхним концом вертикального возвратного трубопровода. Противоположный или нижний конец возвратного трубопровода имеет выходное отверстие, соединенное с печью для возврата в нее отделенных твердых частиц из сепаратора для отделения частиц. Твердые частицы, удаленные из нижней части печи, называются нелетучей золой, в то время как часть твердого материала, покидающая сепаратор для отделения частиц вместе с отходящими газами, называется летучей золой.
Общеизвестны котлы с циркулирующим псевдоожиженным слоем, имеющие сепараторы для отделения частиц, например, циклонного типа для отделения унесенных твердых частиц от отходящего газа и рециркуляции отделенных частиц обратно в камеру сгорания котла. Примеры таких систем изложены в патентах США №№4733621 и 5281398. В первом патенте частицы, отделенные в циклонном сепараторе, рециркулируют в котел через разъемный петлевой затвор. В патенте США №5281398 описан центробежный сепаратор, выполненный из плоских водотрубных панелей. Циклон этого типа может быть выполнен за одно целое с печью, так что не имеется никакого выпускного трубопровода между печью и циклоном.
В патенте США №5159886 описан реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем, в котором с целью сведения к минимуму содержания N2O, поступающей в атмосферу, газы, образованные карбонизацией в нижней части камеры сгорания, проходят в выпускной газопровод, расположенный вниз по потоку циклонного сепаратора.
На протяжении последних десятилетий усовершенствовали циклонные сепараторы для реакторов с циркулирующим псевдоожиженным слоем, так что они стали очень эффективными. При обычном режиме работы они могут отделять около 99,9 процентов твердого материала, покидающего камеру сгорания с отходящим газом. Эффективное отделение твердых частиц от отходящих газов всегда является задачей, заслуживающей достижения. Например, чем лучше эффективность отделения, тем выше эффективность сгорания. Однако очень высокая эффективность отделения может также создать некоторые проблемы или недостатки в технологическом процессе. Например, это может привести к высокому содержанию нелетучей золы по сравнению с летучей золой. При высоком относительном содержании нелетучей золы требуется эффективное удаление нелетучей золы для поддержания в надлежащем состоянии необходимого содержания частиц в слое (т.е. состава материала слоя).
Так как температура нелетучей золы составляет порядка от около 600 до около 900°С, то требуются охладители золы для снижения температуры золы до около 300°С, так чтобы можно было безопасно выгружать золу из реактора. Чем больше нелетучей золы, которую требуется удалять, тем более дорогостоящим (т.е. более производительным) является оборудование, необходимое как для выгрузки, так и для охлаждения нелетучей золы.
Очень высокая эффективность отделения частиц может также стать проблемой, например, когда качество топлива изменяется таким образом, что происходит образование чрезмерного количества мелких частиц в слое. Если из сепаратора для отделения частиц рециркулирует очень большая доля мелких частиц, то вызываемое этим высокое содержание мелких частиц в слое может привести, например, к очень высокому коэффициенту теплопередачи в печи. Если коэффициент теплопередачи превышает его расчетное значение, то слой имеет тенденцию к охлаждению до более низкой температуры, что приводит, например, к увеличенным выбросам в окружающую среду.
Согласно настоящему изобретению предлагаются усовершенствованный способ и устройство для управления реактором с циркулирующим псевдоожиженным слоем.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения предлагается способ управления реактором с циркулирующим псевдоожиженным слоем, имеющим печь с выпускным отверстием для отходящего газа, сепаратор для отделения частиц, соединенный с выпускным отверстием и имеющий выходное отверстие для отходящего газа, и возвратный трубопровод для отделенных твердых частиц. Способ содержит стадии размещения перепускного трубопровода в обход сепаратора для отделения частиц и пропускания частичного потока отходящего газа по этому трубопроводу для увеличения содержания летучей золы в отходящем газе после сепаратора.
Согласно этому способу при пропуске потока отходящего газа в обход сепаратора для отделения частиц уменьшается количество твердых частиц, отделенных сепаратором, посредством чего уменьшаются содержание твердых частиц в слое и накопление нелетучей золы в печи.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предлагается устройство, обеспечивающее возможность управления содержанием частиц в слое, так что состав материала слоя можно поддерживать в оптимальном состоянии. Такое устройство предпочтительно включает печь, выпускное отверстие для удаления из печи отходящего газа с унесенными твердыми частицами, сепаратор для отделения частиц (предпочтительно, циклонный сепаратор), соединенный с этим выпускным отверстием, для отделения твердых частиц от отходящего газа, при этом сепаратор для отделения частиц имеет выходное отверстие для отходящего газа, соединенное с трубопроводом для отходящего газа, и выходное отверстие для твердых частиц, соединенное с возвратным трубопроводом для рециркуляции отделенного твердого материала обратно в нижнюю часть печи, и средство для пропуска части отходящего газа мимо сепаратора для отделения частиц для уменьшения количества твердого материала, вводимого в сепаратор.
Средство для пропуска предпочтительно представляет собой перепускной трубопровод, имеющий первый конец, присоединенный выше по потоку сепаратора для отделения частиц и второй конец, соединенный с трубопроводом для отходящего газа вниз по потоку сепаратора для отделения частиц.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения первый конец перепускного трубопровода соединен с верхней частью печи.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения первый конец перепускного трубопровода соединен с выпускным трубопроводом между верхней частью печи и сепаратором для отделения частиц.
Таким образом, согласно настоящему изобретению предпочтительно предлагаются новые и усовершенствованные способ и устройство для регулирования состава материала слоя, так чтобы количество нелетучей золы поддерживать в приемлемых пределах.
Настоящее изобретение предоставляет многочисленные преимущества в дополнение к уже упомянутому преимуществу, обеспечивающему возможность использования меньшего и менее дорогостоящего оборудования для обработки нелетучей золы. Например, оно обеспечивает гибкость в работе печи и, таким образом, позволяет изменять пропорции между нелетучей золой и летучей золой, облегчает производить изменения в топливе, уменьшает потери тепла и может быть использовано для управления температурой и/или теплопередачей в печи.
Вышеизложенное краткое описание сущности изобретения, а также дополнительные задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения будут полнее понятны благодаря последующему подробному описанию предпочтительных в настоящее время, но тем не менее иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи.
Фиг.1 - схематический вид сбоку реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем, иллюстрирующий способ, при котором отходящий газ обрабатывают при процессах сжигания, известных из предшествующего уровня техники,
фиг.2 - схематический вид сбоку верхней части реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем, иллюстрирующий предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения,
фиг.3 - схематический вид сбоку верхней части реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем, иллюстрирующий другой предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения,
фиг.4 - схематический вид сбоку верхней части реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем, иллюстрирующий еще один предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения.
Ссылаясь на чертежи, на фиг.1 показан общий схематический вид типичной реакторной системы 10 с циркулирующим псевдоожиженным слоем. Измельченное топливо, инертный материал слоя и возможный вспомогательный материал, как например, известь вводят в печь 12 реакторной системы 10 питателями 14 для твердых материалов, как, например, шнековыми питателями или пневматическими питателями. Твердые материалы образуют слой, который псевдоожижают первичным газом 16, вводимым через нижнюю решетку 18. В циркулирующем псевдоожиженном слое скорость псевдоожижающего газа в печи обычно составляет от около 4 м/с до около 9 м/с. Реакции, как например, горение топлива, завершаются вторичным газом 20, вводимым через боковые стенки 22 печи 12.
При реакциях в печи 12 образуются газы, как например, топливные газы, которые вместе с частицами, унесенными газами, выпускают из печи 12 через выпускное отверстие 24 в выпускной трубопровод 26 и далее в сепаратор 28 для отделения частиц. В сепараторе 28 для отделения частиц, который обычно является циклонным сепаратором, от отходящих газов отделяют большую часть (например, 99,9%) частиц, унесенных отходящими газами. По возвратному трубопроводу 30, соединенному с нижней частью сепаратора 28, отделенные частицы через петлевой затвор 32 отводят назад к нижней части печи 12.
Из сепаратора 28 для отделения частиц очищенные отходящие газы через центральное выходное отверстие 34 для газа, обычно расположенное наверху сепаратора, выпускают в трубопровод 36 для отходящих газов. В трубопроводе 36 для отходящих газов газы обычно пропускают через зону 38 рекуперации тепла и пылеуловитель 40 к дымовой трубе 42. Трубопровод 36 для отходящих газов может содержать дополнительные составные части, как, например, газоочистительные составные части, которые известны специалистам в данной области техники, но не показаны на фиг.1.
Часть твердых частиц, выпущенных из печи 12 через выпускное отверстие 24, - так называемая летучая зола - не отделяется от отходящих газов в сепараторе 28 для отделения частиц, а улетучивается через выходное отверстие 34 для газа. Часть летучей золы может быть уловлена в воронке 44, расположенной в трубопроводе 38 для отходящих газов, но ее большая часть улавливается в пылеотделителе 40. Часть твердого материала в печи 12, которая не улетучивается через выходное отверстие 34 для газа, в конце концов, выгружается из печи в виде нелетучей золы 46. Так как нелетучая зола обычно имеет температуру от около 650 до 850°С, то ее до выгрузки из реактора 10 охлаждают в нижнем зольном охладителе 48 до более низкой температуры (например, около 300°С).
В первом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, схематически показанном на фиг.2, печь 12, сепаратор 28 для отделения частиц, выпускной трубопровод 26 между ними, возвратный трубопровод 30, выходное отверстие 34 для газа и расположенная ближе по ходу часть трубопровода 36 для отходящего газа выполнены такими же, как и на фиг.1. Кроме того, на фиг.2 показан перепускной трубопровод 50, присоединенный между верхней частью печи 12 и трубопроводом 36 для отходящих газов. Вследствие перепада давления между печью 12 и трубопроводом 36 для отходящих газов поток газа и унесенных мелких твердых частиц стремится проходить через трубопровод 50, обходя, таким образом, сепаратор 28 для отделения частиц.
В варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на фиг.2, верхняя часть печи 12 снабжена другим выпускным отверстием 52, соединенным с первым концом перепускного трубопровода 50. В качестве альтернативы первый конец перепускного трубопровода 50 может быть соединен, например, отводной трубой с тем же самым отверстием 24, с которым соединен выпускной трубопровод 26. В качестве еще одной альтернативы первый конец перепускного трубопровода 50 может быть соединен с выпускным трубопроводом 26 между выпускным отверстием 24 и входным отверстием в сепаратор 28 для отделения частиц.
Независимо от точного расположения и конструкции перепускного трубопровода 50 назначением перепускного трубопровода 50 является прием из печи 12 части отходящих газов и некоторого количества твердых частиц, унесенных с отходящими газами, и пропуск принятой части отходящих газов к трубопроводу 36 для отходящих газов по ходу позади сепаратора 28 для отделения частиц. Благодаря этому часть твердых частиц принудительно выводится из циркуляции псевдоожиженного слоя и не возвращается обратно в печь 12. Таким образом, увеличивается количество летучей золы, улавливаемой в воронке 44 и пылеуловителе 40. Соответственно уменьшается количество материала слоя, циркулирующего в печи 12 и сепараторе 28 для отделения частиц. В конце концов, уменьшается также количество нелетучей золы 46, выгружаемой из нижней части печи 12. В этом варианте осуществления настоящего изобретения размер и форма перепускного трубопровода 50 определяют количество твердых частиц, отбираемых в выходящий поток из циклонного сепаратора.
На фиг.3 показан другой предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения. В этом варианте перепускная труба 50 снабжена дополнительным средством для регулирования потока отходящих газов в перепускном трубопроводе 50. В этом варианте средство регулирования содержит газопровод 54, снабженный регулирующей заслонкой 56, как, например, дроссельной заслонкой. Дополнительный газопровод 54 используют для ввода газа, например воздуха, в перепускной трубопровод 50 для того, чтобы уменьшить количество отходящих газов и твердых частиц, проходящих по перепускному трубопроводу 50 из печи 12 в трубопровод 36 для отходящих газов. Используя заслонку 56, можно регулировать количество вводимого газа и количество перепускаемых газов и частиц. Чем больше газа вводится по газопроводу 54, тем меньше отходящих газов и твердых частиц пропускается в обход сепаратора 28 для отделения частиц. Средой, пропускаемой по газопроводу 54, может быть, например, воздух или рециркулирующий топочный газ.
На фиг.4 показан еще один предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения. В этом варианте средство регулирования содержит регулирующий клапан 58, установленный непосредственно в перепускном трубопроводе 50. Этот вариант обеспечивает широчайшую возможную эксплуатационную гибкость, так как при прохождении отходящих газов в перепускном трубопроводе этот трубопровод можно регулировать между полностью перекрытым и полностью открытым положениями. Другое подходящее средство регулирования может включать канал и отверстие, позволяющие отходящим газам и унесенным частицам входить в канал для топочных газов, расположенный по ходу ближе сепаратора для отделения частиц.
Как будет легко понятно специалистам в данной области техники, в вариантах на фиг.3 и 4 первый конец перепускного трубопровода мог быть присоединен по ходу ближе сепаратора для отделения частиц с использованием также других различных способов, описанных выше со ссылкой на вариант, показанный на фиг.2.
По сравнению с первым вариантом осуществления настоящего изобретения преимуществом второго и третьего вариантов является то, что можно лучше регулировать состав материала слоя. А именно количество материала слоя и его гранулометрический состав можно регулировать для лучшего удовлетворения требованиям процесса с псевдоожиженным слоем.
Перепускной трубопровод 50 может быть изготовлен из труб или трубопроводов с огнеупорной футеровкой или он может быть изготовлен из труб или составных частей, футерованных соответствующим металлом и/или керамическим материалом. Само собой очевидно, что футеровка должна выдерживать как высокую температуру, так и высокую скорость твердых частиц. Для специалистов в данной области техники будут вполне очевидны подходящие футеровочные материалы.
Хотя изобретение описано на примерах, которые в настоящее время рассматриваются как предпочтительные варианты его осуществления, необходимо учесть, что изобретение не ограничивается описанными вариантами, и предназначено для схватывания различных комбинаций или модификаций признаков и применений, находящихся в пределах объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.
1. Способ управления реактором с циркулирующим псевдоожиженным слоем, имеющим печь (12) с выпускным отверстием (24) для отходящего газа и сепаратор (28) для отделения твердых частиц от отходящего газа, имеющий входное отверстие, соединенное с выпускным отверстием (24) для отходящего газа посредством трубопровода (26) для отходящего газа, выходное отверстие (34) для газа, соединенное с трубопроводом (36) для отходящего газа, и выходное отверстие для твердых частиц, соединенное с возвратным трубопроводом (30) для рециркуляции твердых частиц обратно в печь (12), включающий стадии:
размещения перепускного трубопровода (50) в обход сепаратора (28) для отделения частиц, и
пропускания частичного потока отходящего газа и унесенных твердых частиц по перепускному трубопроводу (50) из верхней части печи (12) в трубопровод (36) для отходящего газа для увеличения содержания твердых частиц в отходящем газе после сепаратора для отделения частиц.
2. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию регулирования потока отходящего газа в перепускном трубопроводе (50) для регулирования количества твердых частиц, пропускаемых в обход сепаратора для отделения частиц.
3. Способ по п.2, при котором поток отходящего газа в перепускном трубопроводе (50) регулируют подачей дополнительного газа в перепускной трубопровод.
4. Способ по п.2, при котором поток отходящего газа в перепускном трубопроводе (50) регулируют регулирующим клапаном (58), расположенным в перепускном трубопроводе.
5. Реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем, содержащий:
печь (12), имеющую псевдоожиженный слой из твердых частиц, выпускное отверстие (24) для удаления отходящего газа с унесенными твердыми частицами из печи (12),
сепаратор (28) для отделения частиц, соединенный с выпускным отверстием (24) посредством выпускного трубопровода (26), для отделения твердых частиц от отходящего газа, при этом сепаратор для отделения частиц имеет выходное отверстие (34) для отходящего газа, соединенное с трубопроводом (36) для отходящего газа, и выходное отверстие для твердых частиц, соединенное с возвратным трубопроводом (30) для рециркуляции отделенных твердых частиц обратно в нижнюю часть печи (12),
отличающийся тем, что он имеет средство (50) для пропуска части отходящего газа и унесенных твердых частиц из верхней части печи (12) в трубопровод (36) для отходящего газа в обход сепаратора (28) для отделения частиц для уменьшения количества твердых частиц, вводимых в сепаратор для отделения частиц.
6. Устройство по п.5, в котором средство для пропуска выполнено в виде перепускного трубопровода (50), имеющего первый конец, присоединенный выше по потоку сепаратора для отделения частиц, и второй конец, соединенный с трубопроводом (36) для отходящего газа ниже по потоку сепаратора (28) для отделения частиц.
7. Устройство по п.6, в котором первый конец перепускного трубопровода (50) соединен с верхней частью печи (12).
8. Устройство по п.6, в котором первый конец перепускного трубопровода (50) соединен с выпускным трубопроводом (26) между верхней частью печи (12) и сепаратором (28) для отделения частиц.
9. Устройство по п.6, в котором перепускной трубопровод (50) снабжен средством (54, 56, 58) для регулирования потока отходящего газа в перепускном трубопроводе.
10. Устройство по п.9, в котором указанным средством для регулирования является дополнительный газопровод (54) для ввода газа в перепускной трубопровод (50).
11. Устройство по п.10, в котором дополнительный газопровод (54) снабжен средством (56) для регулирования количества газа, вводимого в перепускной трубопровод (50).
12. Устройство по п.9, в котором указанным средством для регулирования является регулирующий клапан (58), обеспечивающий перекрытие перепускного трубопровода (50).
13. Устройство по п.5, в котором перепускной трубопровод (50) футерован для выдерживания воздействия как высокой температуры, так и твердых частиц, проходящих в перепускном трубопроводе.
14. Устройство по п.5, в котором в качестве сепаратора (28) для отделения частиц используется циклонный сепаратор.
