УЗЕЛ СОПЛА РЕШЕТКИ, РЕАКТОР С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ С УЗЛОМ СОПЛА РЕШЕТКИ И СПОСОБЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЗЛА СОПЛА РЕШЕТКИ
LATTICE NOZZLE ASSEMBLY, FLUIDIZED-BED REACTOR WITH LATTICE NOZZLE ASSEMBLY AND LATTICE NOZZLE ASSEMBLY APPLICATION

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к узлу сопла решетки для реактора с псевдоожиженным слоем, реактору с псевдоожиженным слоем с узлом сопла решетки, способу установки узла сопла решетки в качестве замены в реакторе с псевдоожиженным слоем и способу замены узла сопла решетки в реакторе с псевдоожиженным слоем.
Описание известного уровня техники
[0002] В реакторах с псевдоожиженным слоем, таких как котлы с циркулирующим или кипящим псевдоожиженным слоем или газификаторы, химические реакции происходят в реакционной камере в псевдоожиженном слое частиц, таких как песок или зола, или топливные частицы. Слой псевдоожижается посредством подачи ожижающего газа, такого как воздух для горения, в реакционную камеру из газовой камеры повышенного давления, обычно называемой воздухораспределительным коробом, через нижнюю решетку реакционной камеры. Нижняя решетка содержит сопла, через которые подается газ с заданной относительно высокой скоростью и в заданном направлении в реакционную камеру. Сопла решетки также могут использоваться для удаления твердых частиц из нижней части реакционной камеры.
[0003] Условия в реакционной камере часто являются относительно жесткими из-за высоких температур, химического воздействия соединений, образованных в реакционной камере, или эрозии под воздействием частиц слоя, увлекаемых ожижающим газом. Вследствие жестких условий часто возникает необходимость в регулярной замене сопел решетки на новые сопла решетки. Замена должна осуществляться в течение относительно короткого времени простоя реактора с псевдоожиженным слоем. Поскольку может быть несколько тысяч сопел в нижней решетке реактора с псевдоожиженным слоем, легкость замены сопел решетки является очень важной.
[0004] Обычно используемые сопла решетки реакторов с псевдоожиженным слоем выполнены из стали и содержат вертикальную трубку или газовую трубку, которая приварена к нижней пластине реакционной камеры, и рабочая часть, так называемая головка сопла, через которую ожижающий газ направляется горизонтально или слегка вниз в реактор с псевдоожиженным слоем или как равномерно распределенный во всех направлениях, или направленный в конкретном направлении. Нижняя пластина и нижний участок вертикальных трубок обычно покрыт защитным огнеупорным слоем. Во время работы реактора с псевдоожиженным слоем участок вертикальных трубок также может быть погружен в неподвижные или медленно перемещающиеся частицы слоя, тогда как рабочие части непосредственно подвергаются воздействию жестких условий. Таким образом, головки сопел особенно подвержены повреждению. Кроме того, для реакторов с псевдоожиженным слоем является типичным то, что пепел может проникать в ожижающий газ, подаваемый в реактор с псевдоожиженным слоем. Из-за пепла существует риск в возникновении золовой эрозии высокой скорости внутри сопел решетки, увеличивая необходимость в частом техническом обслуживании и ремонте. Таким образом, существует необходимость в соплах решетки, головки которых можно легко заменять.
[0005] В известных соплах решетки, таких как сопла решетки, представленные в канадском патенте №. 1151474, вертикальная трубка и головка сопла представляют собой один элемент, или они могут быть сварены вместе для образования выполненного как одно целое элемента. Таким образом, когда существует необходимость в замене головки сопла, обычно вертикальную трубку отрезают и сваривают взаимозаменяемую часть с новой головкой сопла вокруг верхнего конца остального участка вертикальной трубки. Это является относительно медленным процессом, который приводит каждый раз к укорачиванию оставшейся трубки. Это также приводит к значительному количеству вредных металлических отходов, которые необходимо удалять с нижней решетки.
[0006] Патент США № 37708887 представляет сопло решетки, в котором вертикальная трубка содержит наружную резьбу, и трубчатый элемент головки сопла содержит соответствующую внутреннюю резьбу для соединения головки сопла с вертикальной трубкой. Такое резьбовое соединение головки сопла не пригодно для многих крупномасштабных реакторов с псевдоожиженным слоем, поскольку резьбовое соединение относительно медленно разъединяется, и оно может легко заклинить во время работы реактора.
[0007] Международная патентная публикация № WO 2010/011457 A2 представляет сопло решетки, в котором вокруг верхнего конца вертикальной трубки приварена втулка с внутренней резьбой, и нижний участок головки трубчатого сопла содержит соответствующую наружную резьбу для соединения головки сопла с втулкой. Соединение головки трубчатого сопла с втулкой обеспечено с помощью прихваточных сварных швов между наружным краем головки сопла и верхней кромкой втулки. Эта конструкция решетки сопла также относительно медленно отсоединяется и может повредиться или заклинить во время работы.
[0008] Целью настоящего изобретения является создание нового узла сопла решетки, который, по меньшей мере, частично минимизирует вышеописанные проблемы известного уровня техники.
Краткое описание изобретения
[0009] В соответствии с одним аспектом настоящее изобретение описывает узел сопла решетки, пригодный для установки в реакционной камере реактора с псевдоожиженным слоем, содержащего горизонтально проходящую нижнюю пластину, газовую камеру повышенного давления под нижней пластиной и вертикальные газовые трубки, имеющие верхний конец и проходящие из газовой камеры повышенного давления вверх через нижнюю пластину, причем узел сопла решетки содержит головку сопла с газовым каналом для подачи ожижающего газа из одной из вертикальных газовых трубок в реакционную камеру, и трубчатую втулку, выполненную с возможностью прочного закрепления с помощью сварки вокруг верхнего конца газовой трубки, причем головка сопла и трубчатая втулка образуют поворотный замок, обеспечивающий быстрое соединение и разъединение головки сопла и трубчатой втулки.
[0010] Головка сопла преимущественно содержит горизонтально проходящий верхний участок и проходящий вниз стержень, выполненный с возможностью полной вставки в трубчатую втулку, т.е., стержень вставляется в трубчатую втулку таким образом, что горизонтально проходящий верхний участок образует непосредственный контакт с верхней поверхностью трубчатой втулки, для подачи ожижающего газа из газовой трубки в газовый канал головки сопла и образования поворотного замка с трубчатой втулкой.
[0011] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения внутренняя поверхность трубчатой втулки содержит, по меньшей мере, одну канавку, содержащую вертикальный участок, проходящий от верхнего конца трубчатой втулки к центральному участку трубчатой втулки, и горизонтально проходящий верхний участок, соединяющийся с нижним концом вертикального участка канавки и проходящий под заданным углом от нижнего конца вертикального участка. Заданный угол предпочтительно составляет около 10-160°, даже более предпочтительно, около 20-90°, наиболее предпочтительно, около 30°.
[0012] Наружная поверхность стержня соответственно содержит, по меньшей мере, один выступ для вставки в, по меньшей мере, одну канавку для обеспечения поворотного замка головки сопла с трубчатой втулкой посредством вставки выступа в вертикальный участок канавки, перемещения стержня вниз в трубчатой втулке до тех пор, пока выступ не достигнет нижнего конца вертикального участка канавки, и закручивания головки сопла для перемещения выступа на горизонтальный участок канавки. Обычно, внутренняя поверхность трубчатой втулки содержит две канавки, как описано выше, расположенные напротив друг друга, и наружная поверхность стержня содержит соответственно два выступа для вставки в канавки, но число канавок и выступов может быть равно одному или даже больше двух.
[0013] Как упомянуто выше, стержень преимущественно выполнен с возможностью полной вставки в трубчатую втулку, т.е., когда головка сопла установлена в своем положении установки вместе с трубчатой втулкой, верхний участок головки сопла или, более конкретно, горизонтально проходящая нижняя поверхность верхнего участка, находится в контакте с верхней поверхностью трубчатой втулки. Таким образом, конструкция обеспечивает эффективное закрепление поворотного замка, т.е., предотвращение случайного выкручивания головки сопла, с помощью прихваточного сварного шва или прихваточных сварных швов, образованных между нижней поверхностью верхнего участка и наружной поверхностью трубчатой втулки. Посредством расположения прихваточного сварного шва или прихваточных сварных швов под нижней поверхностью верхнего участка, верхний участок эффективно защищает прихваточные сварные швы от подвижных частиц ожиженного слоя и, таким образом, минимизирует эрозию под воздействием частиц слоя.
[0014] Каждый из горизонтально проходящих участков канавок преимущественно слегка наклонен от вертикального участка канавки вниз для обеспечения эффективного уплотнения нижней поверхности верхнего участка головки сопла с верхней поверхностью трубчатой втулки. За счет наличия верхнего участка, уплотненного с трубчатой втулкой, сварка прихваточными швами осуществляется легче. Даже более важно, плотный контакт между верхним участком и трубчатой втулкой эффективно предотвращает перемещение или прилипание тонкодисперсных частиц слоя между трубчатой втулкой и головкой сопла без необходимости в сварки вокруг всего шва между головкой сопла и трубчатой втулкой. Таким образом, настоящая система установки обеспечивает быстрый и эффективный способ минимизации риска повреждения внутренней поверхности трубчатой втулки и/или незаменимого прилипания головки сопла к трубчатой втулке.
[0015] Для предотвращения турбулентности газового потока в соплах решетки и внутренней эрозии под воздействием частиц, увлекаемых газовым потоком, диаметр тракта газового потока предпочтительно является постоянным в вертикальной газовой трубке и вертикальном участке газового канала. Следовательно, диаметр отверстия стержня предпочтительно соответствует диаметру отверстия вертикальных газовых трубок. Соответственно, для предотвращения нарушения непрерывности тракта газового потока в соединении головки сопла и вертикальной газовой трубки длина стержня преимущественно установлена таким образом, что стержень, по существу, уплотняется с вертикальной газовой трубкой, когда нижняя поверхность верхнего участка головки сопла уплотнена с верхней поверхностью трубчатой втулки.
[0016] Когда сопла решетки в соответствии с настоящим изобретением установлены в реакторе с псевдоожиженном слоем, трубчатые втулки прочно закреплены на вертикальных газовых трубках, предпочтительно с помощью сварки. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления каждая из трубчатых втулок содержит, по меньшей мере, одно отверстие, предпочтительно два противоположно расположенных отверстия, для обеспечения закрепления трубчатых втулок на газовых трубках с помощью сварки пробками. Другой возможностью является оконтуривание нижней кромки трубчатых втулок для образования областей для угловых сварных швов. Когда имеется достаточная область от трубчатых втулок до нижней пластины или до огнеупорного слоя на нижней пластине, также возможно закрепление трубчатых втулок на вертикальных газовых трубках посредством использования целых кольцевых сварных швов.
[0017] В соответствии с аспектом настоящее изобретение описывает реактор с псевдоожиженным слоем, содержащий горизонтально проходящую нижнюю пластину, газовую камеру повышенного давления под нижней пластиной, множество вертикальных газовых трубок, имеющих верхний конец, проходящих из газовой камеры повышенного давления вверх через нижнюю пластину, и множество узлов сопел решетки в соответствии с любым из вариантов осуществления, описанных выше, причем трубчатые втулки узлов сопел решетки прочно закреплены вокруг верхних концов вертикальных газовых трубок с помощью сварки, например, сварки пробками, сварки угловых швов или сварки целыми кольцевыми швами.
[0018] В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение описывает способ установки узла сопла решетки в качестве замены в реакторе с псевдоожиженным слоем, содержащем горизонтально проходящую нижнюю пластину, газовую камеру повышенного давления под нижней пластиной и множество вертикальных газовых трубок, имеющих верхний конец и проходящих из газовой камеры повышенного давления вверх через нижнюю пластину, причем способ включает в себя этапы установки сопла решетки в соответствии с любым из вышеописанных вариантов осуществления в реакторе с псевдоожиженным слоем посредством прочного закрепления трубчатой втулки с помощью сварки, например, сварки пробками, сварки угловых швов или сварки целыми кольцевыми швами, вокруг верхнего конца одной из газовых трубок.
[0019] Во-первых, можно прочно закрепить трубчатую втулку в верхней части газовой трубки и только после этого выполнить легко удаляемую сварку прихваточными швами головки сопла с трубчатой втулкой. В соответствии с другой возможностью головку сопла, прежде всего, приваривают прихваточными швами к трубчатой втулке и только после этого трубчатую втулку прочно закрепляют в верхней части газовой трубки. Преимущество последней возможности состоит в том, что сварку прихваточными швами можно осуществлять при заданных условиях, и только прочное закрепление осуществляют в более жестких условиях, в реакционной камере. Таким образом, в соответствии с аспектом настоящее изобретение также описывает узел сопла решетки, содержащий головку сопла и трубчатую втулку в соответствии с любым из вариантов осуществления, описанных выше, причем головка сопла приварена с возможностью удаления прихваточными швами к трубчатой втулке для обеспечения быстрого разъединения головки сопла и трубчатой втулки.
[0020] В соответствии с еще одним аспектом настоящее изобретение описывает способ замены головки узла сопла решетки в соответствии с любым из вышеописанных вариантов осуществления настоящего изобретения и содержащего головку сопла, которая приварена прихваточными швами на трубчатой втулке, посредством разъединения и соединения поворотного замка между головкой сопла и трубчатой втулкой. Таким образом, способ включает в себя удаление прихваточного сварного шва или прихваточных сварных швов между головкой сопла и трубчатой втулкой, выкручивание головки сопла при удержании трубчатой втулки на месте и перемещение головки сопла вверх для удаления сопла из трубчатой втулки, перемещение новой головки сопла вниз в трубчатой втулке, закручивание головки сопла в трубчатой втулке и закрепление новой головки сопла на трубчатой втулке посредством образования нового прихваточного сварного шва.
[0021] Поскольку поворотный замок используемого сопла решетки, подлежащего замене, может быть достаточно тугим, наружная поверхность трубчатой втулки преимущественно содержит плоские поверхности, такие как две расположенные напротив друг друга плоские поверхности для обеспечения надежного удержания трубчатой втулки при выкручивании головки сопла. Таким образом, можно прикладывать относительно большой момент кручения к головке сопла без риска повреждения газовой трубки.
[0022] Вышеупомянутое краткое описание, а также другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения будут понятны в более полном объеме путем ссылки на нижеследующее подробное описание в настоящее время предпочтительных, но, тем не менее, иллюстративных вариантов осуществления в соответствии с настоящим изобретением при рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
[0023] Фиг.1 - схематичный вид реактора с псевдоожиженным слоем с соплами решетки.
[0024] Фиг.2 - схематичный вид сбоку сопла решетки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0025] Фиг.3 - схематичный вид в разрезе головки узла сопла решетки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
[0026] Фиг.4a и 4b - схематичные виды в разрезе трубчатой втулки узла сопла решетки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание настоящего изобретения
[0027] На фиг.1 изображен реактор 10 с псевдоожиженным слоем, имеющий реакционную камеру 12. Реакционная камера содержит горизонтально проходящую нижнюю пластину 14 и газовую камеру 16 повышенного давления, так называемую воздухораспределительным коробом, под нижней пластиной. В реакторе 10 с псевдоожиженным слоем, который, например, может быть котлом с циркулирующим или кипящим псевдоожиженным слоем или газификатором, химические реакции происходят в реакционной камере 12 в псевдоожиженном слое частиц, таких как песок или зола, или топливные частицы. Слой псевдоожижается посредством подачи ожижающего газа, такого как воздух для горения, в реакционную камеру 12 из воздухораспределительного короба 16 через нижнюю решетку реакционной камеры. Нижняя решетка содержит множество сопел 18, через которые подается ожижающий газ с заданной относительно высокой скоростью и в заданном направлении в реакционную камеру. Фактически, реактор с псевдоожиженным слоем содержит также много других частей, таких как сопла для подачи топлива, канал для выхлопных газов и т.д. Однако, поскольку такие части не относятся к настоящему изобретению, они исключены из фиг.1.
[0028] Сопла 18 решетки образованы из вертикальных газовых трубок 20, проходящих из воздухораспределительного короба 16 вверх через нижнюю пластину 14, и головок 22 сопел, содержащих газовый канал для подачи ожижающего газа из газовой трубки 20 в реакционную камеру. Головки сопел закреплены на газовых трубках за счет использования трубчатых втулок 24. В соответствии с настоящим изобретением трубчатые втулки прочно закреплены с помощью сварки вокруг верхних концов газовых трубок, но головки сопел соединены с трубчатыми втулками с помощью поворотного замка, обеспечивая быстрое соединение и разъединение головки сопла и трубчатой втулки, как будет описано более подробно вместе с чертежами 2-4. Одни и те же или соответствующие элементы обозначены на разных чертежах одними и теми же ссылочными позициями.
[0029] Фиг.2 - вид сбоку сопла 18 решетки в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, соединенного с нижней пластиной 14 реактора с псевдоожиженным слоем. На фиг.2 изображена известная газовая трубка 20, которая закреплена на нижней пластине 14 с помощью любого известного средства, обычно с помощью сварки (не показано на фиг.2). Трубчатая втулка 24 прочно закреплена на верхнем конце 26 газовой трубки 20 с помощью пробочного сварного шва 28. Обычно имеются два пробочных сварных шва на противоположных сторонах трубчатой втулки. В качестве альтернативы, можно закрепить трубчатую втулку на вертикальной газовой трубке с помощью другого типа сварки, такой как сварка угловых швов или сварка сплошными кольцевыми швами. Головка 22 сопла соединена с трубчатой втулкой 24 с помощью поворотного замка 30, который будет объяснен ниже, который закреплен с помощью прихваточных сварных швов 32. Прихваточные сварные швы преимущественно расположены под горизонтально проходящей нижней поверхностью 33 верхнего участка решетки сопла для защиты прихваточных сварных швов от эрозии под воздействием подвижных частиц слоя.
[0030] Фиг.3 - вид в разрезе головки 22 сопла в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Головка сопла содержит горизонтально проходящий верхний участок 34 и проходящий вниз стержень 36. Газовый канал 38 проходит от нижнего конца стержня к выпускным ответвлениям 40, проходящим к боковым концам верхнего участка 34. Выпускные ответвления, изображенные на фиг.3, наклонены вниз для подачи ожижающего газа на нижнюю пластину, но, в качестве альтернативы, выпускные ответвления могут быть направлены иначе, например, горизонтально. Верхний участок 34 содержит два выпускных ответвления 40, но, в качестве альтернативы, головка сопла может содержать только одно выпускное ответвление для подачи ожижающего газа в конкретном направлении, например, для перемещения твердых частиц на нижнюю пластину в конкретном направлении. Также возможно, чтобы головка сопла содержала более двух выпускных ответвлений для равномерного распределения ожижающего газа в реакционной камере.
[0031] Стержень 36 выполнен с возможностью вставки в трубчатую втулку 24 для соединения с вертикальной газовой трубкой 20, соединенной с нижней пластиной 14 реактора 10 с псевдоожиженным слоем. Таким образом, стержень является в основном полым цилиндром с диаметром отверстия, который соответствует диаметру отверстия газовых трубок. Для образования поворотного замка с трубчатой втулкой стержень содержит два выступа 42 на противоположных сторонах наружной поверхности стержня. В качестве альтернативы, может быть образован только один выступ или может быть образовано более двух выступов. Назначение и функция выступов 42 и их взаимосвязь с соответствующими канавками на внутренней поверхности трубчатой втулки будут объяснены ниже в соответствии с фиг.4a и 4b.
[0032] Фиг.4a - горизонтальный вид в разрезе трубчатой втулки 24, и фиг.4b - вертикальный вид в разрезе по линии B-B на фиг.4a трубчатой втулки 24. На внутренней поверхности 44 трубчатой втулки образованы две одинаковые канавки 46 содержащие вертикальный участок 48 и горизонтально проходящий участок 50. Глубина канавки соответствует высоте выступов 42, изображенных на фиг.3, так что они образуют поворотный замок для соединения головки 22 сопла с трубчатой втулкой 24.
[0033] Поворотный замок закрывается посредством вставки выступов 42 стержня в вертикальные участки 48 канавок, перемещения стержня вниз в трубчатой втулке до тех пор, пока выступы не достигнут нижнего конца 52 вертикальных участков 48 канавок, и закручивания головки сопла для перемещения выступов 42 на горизонтально проходящие участки 50 канавок. Предпочтительно, горизонтальные участки 50 канавок проходят горизонтально под заданным углом, таким как около 30°, от нижнего конца 52 вертикального участка 48 канавки. Поворотный замок может быть закреплен с помощью прихваточных сварных швов 32, изображенных на фиг.2. Поворотный замок открывается посредством удаления прихваточных сварных швов, например, с помощью шлифовки, и выполнения этапов закрытия в обратном порядке.
[0034] На фиг.4a и 4b внутренняя поверхность 44 трубчатой втулки 24 содержит две канавки 46, расположенные напротив друг друга, и наружная поверхность стержня 36 соответственно содержит два выступа 42 для вставки в канавки, в качестве альтернативы, число канавок и выступов может быть равно одному или даже больше двух.
[0035] Горизонтально проходящие участки 50 канавок на фиг.2 и 4b изображены как горизонтальные, но они фактически могут быть преимущественно незначительно наклонены от вертикального участка 48 канавки для обеспечения эффективного уплотнения нижней поверхности верхнего участка 33 сопла решетки с верхней поверхностью трубчатой втулки 24.
[0036] На фиг.4a изображено одно отверстие 54 в трубчатой втулке 24 для образования пробочного сварного шва с вертикальной газовой трубкой на нижней пластине реактора с псевдоожиженным слоем. Однако, в качестве альтернативы, число отверстий может быть больше одного, например, два. На фиг.4a и 4b изображена трубчатая втулка 24 с цилиндрической наружной поверхностью, но участок наружной поверхности, например, участок двух противоположных сторон трубчатой втулки преимущественно может быть выполнен плоским для обеспечения более легкого удержания трубчатой втулки 24 на месте, в то время как головку 18 насадки выкручивают с целью удаления ее из трубчатой втулки.
[0037] Хотя настоящее изобретение описано в данном документе в качестве примеров в связи с тем, что они в настоящий момент рассматриваются наиболее предпочтительными вариантами осуществления, следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления, и подразумевается, что оно включает в себя различные сочетания или модификации его признаков и несколько других применений, которые включены в объем настоящего изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.