КЛАПАН ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ, ОБЛАДАЮЩИЙ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ
VALVE FOR CONTROLLING SOLID PHASE IN FLUIDIZED LAYER WITH HIGH RELIABILITY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области реакторов и котлов с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB), используемых, например, в составе оборудования для производства электрической энергии и в промышленных объектах. В частности, изобретение относится к конструкциям реактора CFB, содержащего CFB и один или большее число барботажных псевдоожиженных слоев (BFB), в котором материалы подают в нижнюю часть корпуса реактора CFB, и относится также к немеханических клапанам для регулирования потока частиц твердой фазы, перемещающихся между зоной (зонами) с медленным барботажным слоем и зонами с сильно псевдоожиженным CFB.
Уровень техники
В реакторах и котлах слои CFB и BFB могут быть использованы одновременно и при различном взаимном расположении. Например, в патентном документе US 5533471 описано размещение медленного BFB ниже и со стороны днища камеры с более быстрым CFB. В патентном документе US 5526775 медленный BFB расположен выше и со стороны быстрого CFB. В документе US 5190451 (Goldbach) показана камера CFB, содержащая теплообменник, погруженный в псевдоожиженный слой в нижней части камеры. В документе US 5184671 (Alliston et al.) описан теплообменник, содержащий некоторое количество зон с псевдоожиженным слоем. Настоящее изобретение может быть применено для использования при таких и иных расположениях псевдоожиженных слоев.
Настоящее изобретение относится также к клапанам для регулирования перемещения твердых частиц (твердой фазы), включая твердое топливо, между слоями BFB и CFB. В частности, изобретение относится к немеханическим клапанам, предназначенным для регулирования потока твердой зернистой фазы между псевдоожиженными слоями за счет регулирования локального псевдоожижения вблизи отверстия, выполненного в стенке, установленной между разделяемыми секциями. Основной принцип работы таких клапанов заключается в том, что они «открываются» за счет достаточного аэрирования зоны непосредственно вокруг отверстия между камерами, в результате чего частицы твердой фазы «псевдоожижаются» и перемещаются через отверстие подобно протеканию жидкости. «Закрываются» клапаны за счет прерывания или замедления псевдоожижения вокруг тех же отверстий, в результате чего твердые частицы больше не ведут себя и не перемещаются подобно жидкости.
Например, в патентном документе US 6532905 (Belin et al.) описан котел CFB с погруженным в слой регулируемым теплообменником (IBHX). Котел содержит камеру сгорания (топку) CFB и отдельно регулируемый теплообменник BFB, размещенный внутри топки котла CFB. Процесс теплообмена в теплообменнике со слоями BFB регулируют путем регулирования скорости твердых частиц, выгружаемых из нижней части слоев BFB в топку с большим размером CFB. Регулирование выгрузки может осуществляться с использованием, по меньшей мере, одного немеханического клапана, установленного между CFB и BFB. Немеханический клапан может функционировать с регулированием расхода псевдоожижающего газа вблизи этого клапана. Уменьшение или полное перекрытие потока псевдоожижающего газа, поступающего к средствам регулирования псевдоожижения (обычно - барботажные колпачки) препятствует локальному псевдоожижению и, как результат, перемещение твердой фазы через немеханический клапан замедляется или прекращается, обеспечивая тем самым регулирование расхода твердых частиц, отводимых из BFB в CFB (см., например, опубликованную заявку US 2011/0073049 A1).
Одна проблема, связанная с немеханическим клапаном, известным из вышеуказанного документа US 6532905 (Belin et al.), заключается в том, что твердый материал слоя может попадать в средства псевдоожижения (например, в барботажные колпачки), в особенности, если поток псевдоожижающего газа прерывают для ограничения прохождения твердых частиц через клапан. Проблема может быть, в особенности, серьезной для неактивных средств псевдоожижения, расположенных рядом с активными средствами псевдоожижения. Дело в том, что возможно прекращение потока псевдоожижающего газа, как только его направление изменяется на обратное, что может препятствовать дальнейшему использованию немеханического клапана.
Другая проблема, связанная с уменьшением расхода псевдоожижающего газа вблизи места размещения немеханического клапана, заключается в агломерации материала слоя. Прекращение подачи псевдоожижающего газа уменьшает локальное смешивание в слое. Поскольку сжигание твердой фазы слоя продолжается, возможно повышение локальной температуры слоя, что может привести к агломерации твердого материала. Процесс агломерации может также происходить где-нибудь еще в котле, при этом агломераты, в конце концов, перемещаются в направлении немеханического клапана вместе с потоком других твердых частиц в котле. Такие агломераты, при их образовании или накапливании в окрестности клапанов, могут, в конце концов, закупорить определенный клапан, препятствуя его функционированию.
Еще одна проблема, связанная с работой котлов CFB, содержащих BFB, заключается в том, что интенсивное псевдоожижение в камере сгорания CFB может препятствовать локальному псевдоожижению в окрестности немеханического клапана. Это может затруднять регулирование перемещения твердых частиц из BFB в CFB через клапан, который основан, по меньшей мере, частично, на регулировании псевдоожижения.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение обеспечивает усовершенствованное немеханическое клапанное устройство, которое может быть использовано в известных в уровне техники котлах с псевдоожиженным слоем, включающих, но не в качестве ограничения, котел CFB, описанный в патентном документе US 6532905 (Belin et al.), содержащий слой BFB соединенный с CFB. Как отмечено выше, немеханические клапаны могут быть использованы для регулирования потока зернистой твердой фазы между отдельными секциями путем регулирования локального псевдоожижения у отверстия в стенке между указанными разделенными участками. Обычно такие клапаны «открываются» за счет инжектирования псевдоожижающего газа в зону непосредственно вокруг отверстия между двумя разделенными секциями так, что твердые частицы «псевдоожижаются», т.е. их поведение подобно жидкости. Поток твердых частиц проходит через отверстие в стенке, когда эти частицы находятся в состоянии псевдоожижения. Клапаны «закрываются» за счет прекращения или замедления инжекции газа, в результате чего псевдоожижение вокруг отверстия прекращается. В отсутствии псевдоожижения твердые частицы больше не ведут себя подобно жидкости, и, следовательно, не проходят через отверстие в стенке или в ином случае проходят через отверстие с много меньшим расходом.
Настоящее изобретение устраняет проблемы, связанные с временным закрытием немеханических клапанов при уменьшении или прекращении потока псевдоожижающей среды. Отмеченная выше проблема обратного падения твердого материала в средства псевдоожижения, приводящего к прекращению потока псевдоожижающего газа, и, следовательно, к блокированию средств псевдоожижения, решается за счет использования коллекторов. Коллекторы обычно размещают ниже средств псевдоожижения, так что твердая фаза, падающая в средства ожижения, будет попадать в коллекторы и накапливаться ниже уровня, при котором она может создавать препятствие потоку псевдоожижающего газа. Эта твердая фаза периодически или непрерывно удаляется из коллекторов, чтобы поддерживать ее уровень достаточно низким. В предпочтительном воплощении во время работы котла коллекторы могут быть опорожнены без прерывания потока псевдоожижающей среды, по возможности без нарушения любого уплотнения, что могло бы приводить к утечкам псевдоожижающей среды.
В клапанном устройстве предусмотрены также средства удаления агломератов из потока твердых частиц, исходя, например, из их размеров и большего веса. В результате уменьшается вероятность налипания больших агломератов в клапанах и, как результат, закупоривания клапанов. В предпочтительном воплощении упомянутые средства удаления уплотняются относительно давления в камере сгорания котла, при этом интенсивность отвода твердой фазы из котла контролируется, и удаляемый материал охлаждается.
Настоящее изобретение обеспечивает также ослабление взаимосвязи между интенсивным псевдоожижением в камере сгорания CFB и немеханическим клапаном, регулируемым посредством псевдоожижения, размещенным между слоями CFB и BFB. Перегородки, выступающие в BFB и/или CFB из ограждающей стенки, ограничивающей секцию с BFB, образуют каналы или проходы, которые препятствуют боковому перемещению твердых частиц вблизи отверстий клапана. Эти перегородки защищают отверстие, расположенное между CFB и BFB, от наиболее экстремальных воздействий, обусловленных вихревым движением твердых частиц CFB, и таким образом, обеспечивают улучшение контроля локального псевдоожижения и функционирования немеханических клапанов.
В предпочтительном воплощении в том случае, если локальное псевдоожижение, осуществляемое с помощью независимо регулируемых средств псевдоожижения, прекращается, через немеханический клапан проходит весьма незначительный поток твердых частиц, или этот поток вообще отсутствует, т.е. клапан «закрыт». Настоящее изобретение показывает и разъясняет, каким образом можно создать проходные каналы между BFB's и CFB's, которые по существу блокируют поток твердых частиц, действуя наподобие L-образного клапана. Все новшества, присущие изобретению, могут быть применены к многообразию немеханических клапанов, регулирующих поток зернистого материала между различными секциями, в которых осуществляется локальное псевдоожижение, в особенности, когда, по меньшей мере, одна из секций содержит псевдоожиженный слой.
Соответственно, один аспект настоящего изобретения относится к котлу с циркулирующим псевдоожиженным слоем, содержащему:
реакционную камеру котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем, имеющую боковые стенки и распределительную решетку, образующую днище на нижнем конце реакционной камеры котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем и выполненную с возможностью подачи псевдоожижающего газа в реакционную камеру котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем;
барботажный псевдоожиженный слой, созданный в пределах нижней части реакционной камеры с циркулирующим псевдоожиженным слоем, ограниченный ограждающими стенками и днищем реакционной камеры котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем;
по меньшей мере, один погруженный в слой регулируемый теплообменник, который перекрывает часть днища реакционной камеры котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем и находится с внутренней стороны стенок (разделительных перегородок), ограждающих барботажный псевдоожиженный слой;
по меньшей мере, один немеханический клапан, выполненный с возможностью обеспечения контроля отвода твердых частиц из барботажного псевдоожиженного слоя в циркулирующий псевдоожиженный слой реакционной камеры котла; при этом указанный клапан содержит, по меньшей мере, одно отверстие в ограждающей стенке барботажного псевдоожиженного слоя, и, по меньшей мере, одно независимо регулируемое средство псевдоожижения, размещенное, по меньшей мере, выше или ниже по потоку от указанного отверстия;
по меньшей мере, одно указанное независимо регулируемое средство псевдоожижения соединено каждое с соответствующим средством подачи псевдоожижающей среды, при этом независимо регулируемые средства псевдоожижения выполнены с возможностью регулирования расхода твердой фазы, поступающей из барботажного псевдоожиженного слоя в реакционную камеру котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем, причем указанные независимо регулируемые средства псевдоожижения регулируются независимо от распределительной решетки;
независимо регулируемые средства псевдоожижения и средства подачи псевдоожижающей среды, по меньшей мере, соединены с коллекторами или содержат коллекторы, при этом коллекторы выполнены с возможностью накапливания частиц твердой фазы, в случае их обратного падения в средства псевдоожижения, таким образом, чтобы накопленная твердая фаза не создавала препятствия подаче псевдоожижающей среды;
кроме того, котел с циркулирующим псевдоожиженным слоем снабжен клапанами для герметизации, по меньшей мере, коллекторов или средств псевдоожижения или средств подачи псевдоожижающей среды с тем, чтобы обеспечить удаление из коллекторов падающих обратно твердых частиц во время работы камеры сгорания с циркулирующим псевдоожиженным слоем;
немеханический клапан, кроме того, содержит, по меньшей мере, одно средство удаления твердых частиц, обеспечивающее возможность удаления агломератов, расположенное, по меньшей мере, выше по потоку или ниже по потоку, по меньшей мере, от одного отверстия в стенке, ограждающей барботажный псевдоожиженный слой; при этом каждое из средств удаления соединено, по меньшей мере, с одним шнековым охладителем, выполненным с возможностью уплотнения относительно давления в камере сгорания, регулирования интенсивности выгрузки твердых частиц, отводимых с помощью средств удаления, и охлаждения выгруженных твердых частиц и агломератов;
стенка, ограждающая барботажный псевдоожиженный слой, снабжена множеством перегородок, образующих каналы, расположенных вблизи одного или большего числа отверстий в указанной стенке, ограждающей барботажный псевдоожиженный слой, при этом указанные перегородки выступают, в общем, в направлении от ограждающей стенки, по меньшей мере, в циркулирующий псевдоожиженный слой или в барботажный псевдоожиженный слой, причем образующие каналы перегородки обеспечивают возможность уменьшения бокового перемещения твердых частиц в одном или более направлениях перпендикулярно направлению отвода частиц твердой фазы из барботажного псевдоожиженного слоя в циркулирующий псевдоожиженный слой.
Другой аспект настоящего изобретения относится к котлу с циркулирующим псевдоожиженным слоем, содержащему:
реакционную камеру котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем, содержащую боковые стенки и распределительную решетку для подачи псевдоожижающего газа в реакционную камеру котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем;
барботажный псевдоожиженный слой в секции, содержащей, по меньшей мере, одну ограждающую стенку,
по меньшей мере, один регулируемый, погруженный в слой теплообменник, при этом погруженный в слой теплообменник размещен в указанной секции, содержащей барботажный псевдоожиженный слой;
по меньшей мере, один немеханический клапан, выполненный с возможностью обеспечения контроля отвода твердой фазы из барботажного псевдоожиженного слоя в реакционную камеру котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем; указанный немеханический клапан включает в себя, по меньшей мере, одно отверстие в стенке, ограждающей барботажный псевдоожиженный слой, и включает, по меньшей мере, одно независимо регулируемое средство псевдоожижения, размещенное, по меньшей мере, выше по потоку или ниже по потоку от указанного отверстия;
каждое из независимо регулируемых средств псевдоожижения соединено со средством подачи псевдоожижающей среды, при этом независимо регулируемые средства псевдоожижения обеспечивают возможность регулирования расхода твердых частиц, перемещаемых из барботажного псевдоожиженного слоя в реакционную камеру котла с циркулирующим псевдоожиженным слоем; независимо регулируемые средства псевдоожижения регулируются независимо от распределительной решетки;
кроме того, котел с циркулирующим псевдоожиженным слоем содержит коллекторы, соединенные с одним или большим числом независимо регулируемых средств псевдоожижения, при этом коллекторы выполнены с возможностью накапливания частиц твердой фазы, в случае их обратного падения в средства псевдоожижения, таким образом, чтобы накапливаемая твердая фаза не создавала препятствия подаче псевдоожижающей среды.
Еще один аспект настоящего изобретения относится к немеханическому клапанному устройству для избирательного регулирования потока твердых частиц между двумя секциями, из которых, по меньшей мере, одна секция содержит псевдоожиженный слой; указанное немеханическое клапанное устройство содержит:
ограждающую стенку, разделяющую две секции;
отверстие в ограждающей стенке, соединяющее две секции;
независимо регулируемые средства псевдоожижения, размещенные, по меньшей мере, выше по потоку или ниже по потоку относительно отверстия, при этом независимо регулируемые средства псевдоожижения соединены со средствами подачи псевдоожижающей среды и обеспечивают возможность избирательного регулирования потока твердых частиц, проходящего через указанное отверстие;
один или большее число коллекторов, соединенных с независимо регулируемыми средствами псевдоожижения, обеспечивающих возможность накапливания какой-либо твердой фазы, поступающей в средства ожижения, так, чтобы накопленная твердая фаза не препятствовала подаче псевдоожижающей среды в средства псевдоожижения; и
одно или большее число независимо регулируемых средств удаления твердой фазы, размещенных, по меньшей мере, выше по потоку или ниже по потоку относительно отверстия, причем указанные средства удаления выполнены с возможностью удаления твердой фазы и агломератов.
Изложенные выше, а также другие аспекты и/или задачи изобретения, не ограничивающие изобретение, более подробно описаны ниже.
Различные признаки новизны, характеризующие настоящее изобретение, изложены с детальным раскрытием в приложенных пунктах формулы, образующих часть раскрытия изобретения. Для лучшего понимания изобретения, его преимуществ и конкретных задач, решаемых при использовании изобретения, ниже будут приведены ссылки на сопровождающие чертежи и текстовый материал, в которых представлено предпочтительное воплощение изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - схематический частичный вид в вертикальном разрезе сбоку котла CFB, который содержит камеру сгорания или реакционную камеру CFB, сепаратор твердых частиц, слой BFB, содержащий IBHX, и немеханический клапан, отделяющий камеру сгорания CFB от BFB.
Фиг. 2 - котел CFB, камера сгорания CFB, BFB и IBHX, вид в плане в разрезе по линии 2-2 на фиг. 2.
Фиг. 3 - немеханический клапан согласно изобретению, разделяющий BFB и камеру сгорания CFB, увеличенный частичный вид сбоку в разрезе.
Фиг. 4 - альтернативное воплощение немеханического клапана согласно изобретению, разделяющего BFB и камеру сгорания CFB, увеличенный частичный вид сбоку в разрезе.
Фиг. 5А - частичный вид в перспективе сверху, отображающий ограждающую стенку между BFB и CFB, т.е. стенку, содержащую немеханические клапаны, и перегородки, образующие каналы и выступающие в направлении от ограждающей стенки, при этом в целях лучшей видимости часть ограждающей стенки удалена.
Фиг. 5В - увеличенный вид части ограждающей стенки, показанной на фиг. 5, на котором часть покрытия стенки удалена, чтобы показать трубки, проходящие внутри стенки.
Фиг. 6 - частичный вид в перспективе сверху, отображающий альтернативное размещение отверстий в ограждающей стенке между BFB и CFB, и выступающие из ограждающей стенки перегородки, образующие каналы, при этом в целях лучшей видимости часть ограждающей стенки удалена.
Фиг. 7 - частичный вид в перспективе сверху, отображающий отверстия в другой ограждающей стенке между BFB и CFB, и перегородки, образующие каналы, соединенные верхней аркообразной поверхностью, выступающие из ограждающей стенки, при этом в целях лучшей видимости часть ограждающей стенки удалена.
Фиг. 8А и 8В - виды сбоку в вертикальном разрезе двух воплощений немеханических клапанных устройств, содержащих каналы, при этом каналы имеют размеры, обеспечивающие возможность прекращения прохождения через них потока твердой фазы в отсутствии псевдоожижения.
Осуществление изобретения
Более полное понимание описанных здесь процессов и устройств может быть достигнуто со ссылками на сопровождающие чертежи. Представленные фигуры являются лишь схематическими изображениями, задачей которых является простота и легкость раскрытия существующего уровня техники и/или настоящего изобретения, и, соответственно, они не имеют своей целью указывать относительные размеры и габариты описанных конструкций или их элементов.
Хотя в нижеследующем описании в целях ясности изложения используются определенные термины, эти термины относятся только к конкретной конструкции воплощений, выбранных для иллюстрации на чертежах, и не предназначены для установления или ограничения объема изобретения. Следует принимать во внимание, что на чертежах и в нижеследующем описании одинаковые ссылочные номера позиций относятся к компонентам, выполняющим одинаковую функцию.
Термин «приблизительно», используемый для характеристики количества, включает в себя указанную конкретную величину и имеет смысловое содержание, диктуемое контекстом (например, оно включает в себя, по меньшей мере, долю погрешности, связанной с измерением определенного количества). Термин «приблизительно», используемый вместе с конкретной величиной, следует рассматривать также как включающий эту величину. Например, выражение «приблизительно 2» включает в себя также величину «2», а интервал «от приблизительно 2 до приблизительно 4» включает также интервал «от 2 до 4».
Как известно специалистам в данной области техники, поверхности теплообмена, через которые транспортируют смеси водяного пара и воды, обычно именуются испарительными поверхностями котла; поверхности теплообмена, через которые транспортируют водяной пар, обычно именуются поверхностями перегрева пара (или поверхностями вторичного перегрева, в зависимости от типа используемой соответствующей паровой турбины). Независимо от типа нагревательной поверхности, размеры трубок, их материал, диаметр, толщину стенки, количество и расположение выбирают, исходя из температуры и давления, реализуемых при эксплуатации котла, в соответствии с применяемыми стандартами по проектированию котлов, такими как Стандарт Американского общества инженеров-механиков (ASME) для котлов и сосудов высокого давления, часть I, или другими эквивалентными стандартами, установленными в соответствии с законом.
В тех случаях, когда для понимания настоящего изобретения могут быть необходимы объяснения определенной терминологии или основ, касающихся теплообменников, котлов и/или парогенераторов, и при необходимости более полного изучения котлов CFB или конструкций современных котлов энергетических установок или промышленных котлов следует обратиться к источникам информации: Steam/its generation and use, 41st Edition, Kitto and Stultz, Eds., Copyright © 2005, The Babcock & Wilcox Company, Barberton, Ohio, U.S.A., Lib. of Congress No. 92-74123. Содержание указанных источников информации полностью включено в данное описание посредством ссылки на эти источники.
Настоящее изобретение решает некоторые проблемы, связанные с использованием немеханических регулируемых клапанов для псевдоожижающей среды, существующие в уровне техники. В описанном здесь особо предпочтительном воплощении, иллюстрирующим изобретение, усовершенствованный немеханический клапан используют вместе с котлом CFB, содержащим как реакционную камеру CFB, так и BFB с IBHX, размещенные в реакционной камере.
В отношении сопровождающих чертежей следует отметить, что на всех чертежах одинаковые или подобные элементы обозначены одинаковыми ссылочными номерами позиций.
Фиг. 1 и фиг. 2 иллюстрируют предпочтительную котельную установку CFB, содержащую реакционную камеру или камеру сгорания 1 CFB и воплощающую настоящее изобретение. Указанная камера сгорания содержит стенки 2 и теплообменник (IBHX) 3, погруженный в BFB 4, размещенный в реакционной камере 1. Поверхность нагрева теплообменника IBHX 3, которая воспринимает теплоту от BFB 4, может быть поверхностью пароперегревателя, вторичного пароперегревателя, экономайзера или комбинацией подобных поверхностей нагрева, которые известны специалистам в данной области техники. Нагревательная поверхность IBHX обычно образована из труб или трубопроводов 31, которые транспортируют теплоноситель, такой как вода, двухфазная смесь воды и водяного пара или водяной пар.
Слой CFB может быть образован из твердой фазы, в состав которой входят топливо 5, зола топлива 5, сорбент 6 и, в некоторых случаях, дополнительный инертный материал 7, подаваемые, по меньшей мере, через одну из стенок 2 камеры сгорания. Многие другие возможные компоненты твердой фазы известны специалистам в данной области техники. Слой CFB псевдоожижается посредством инжекции первичного воздуха 8 и/или других газов. Псевдоожижающий воздух предпочтительно подают через распределительную решетку 9, которая может представлять собой часть днища камеры сгорания, и которая обычно содержит барботажные колпачки.
Некоторая часть твердой фазы 15 уносится вверх газами, полученными в результате сжигания топлива, и, в конце концов, достигает сепаратора 16 твердых частиц, размещенного вблизи выхода из камеры сгорания. Хотя некоторые частицы твердой фазы 17 проходят сепаратор, основная масса твердых частиц 18 улавливается и возвращается обратно в камеру сгорания. Часть уловленных твердых частиц 18 вместе с другими твердыми частицами 19, падающими вниз из восходящего потока 15 твердой фазы за счет действия гравитации, будет поступать в слой BFB 4.
Слой BFB 4 псевдожижается с помощью псевдоожижающей среды 25, подводимой через распределительную решетку 26, которая может представлять собой часть днища камеры сгорания. Обычно эта решетка будет отдельной от распределительной решетки 9, которая псевдоожижает CFB. Как хорошо известно специалистам в данной области техники, наиболее традиционной конструкцией распределительной решетки может быть множество барботажных колпачков, питаемых от соответствующего источника псевдоожижающей среды. Барботажный колпачок состоит из основной части в виде колпачка и подводящей трубки, обычно называемой ножкой, которая соединяет псевдоожижающую среду с псевдоожиженным слоем. Псевдоожижающий газ транспортируется вверх вдоль ножки в колпачок, из которого распределяется в псевдоожиженный слой через множество выпускных отверстий. Струи псевдоожижающего газа, выходящего из выпускных отверстий колпачка, проникают в CFB или BFB и приводят частицы твердой фазы в псевдоожиженное состояние в зоне вокруг каждого барботажного колпачка.
Средства удаления твердой фазы из CFB и BFB (27 и 28 соответственно) предпочтительно установлены в подходящих зонах днища.
Слой BFB отделен от CFB ограждающей стенкой 30, содержащей один или большее число немеханических клапанов 40. Поток рецикла 35 твердой фазы, возвращаемой обратно в CFB через один или большее число немеханических клапанов 40, регулируют путем регулирования одного или большего числа потоков псевдоожижающей среды 45 и 46. Указанные потоки псевдоожижающей среды предпочтительно подают через один или большее число независимо регулируемых средств псевдоожижения 86, 87, 94 и 95, которые размещены выше потоку (в направлении слоя BFB) и/или ниже по потоку (в направлении CFB) относительно отверстия (отверстий) 85 в ограждающей стенке 30 (фиг. 3-4).
Поток газа, направленный в место расположения немеханического клапана, способствует отводу твердой фазы из нижней части слоя BFB 4 в CFB 1. Независимое регулирование этих потоков, например, путем их включения и выключения в чередующихся циклах обеспечивает сглаживание скорости отвода твердой фазы. Конкретные характеристики регулирования псевдоожижающей среды (частота повторения циклов, продолжительность цикла и т.п.) зависят от свойств материала слоя и технических требований к функционированию котла и должны быть установлены в период проведения пуско-наладочных работ.
Потоки 45 и 46 псевдоожижающего газа предпочтительно регулируют независимо от распределительной решетки 9 CFB и распределительной решетки 26 BFB и могут регулироваться независимо друг от друга, но наиболее предпочтительно их взаимное регулирование при функционировании котла. Используемый в пунктах формулы термин «независимо регулируемые средства псевдоожижения» относится во всех случаях к таким средствам псевдоожижения, которые можно регулировать независимо от распределительных решеток 9, 26 и предпочтительно, но не обязательно, независимо от других независимо регулируемых средств псевдоожижения, расположенных в одном и том же ряду или в различных рядах. В одном предпочтительном воплощении независимо регулируемые средства псевдоожижения размещены рядами, от одного до шести рядов с каждой из одной или обеих сторон ограждающей стенки 30, при этом каждый ряд содержит множество барботажных колпачков. В наиболее предпочтительном воплощении средства псевдоожижения в каждом одном ряду регулируются все вместе, но каждый ряд можно регулировать отдельно (независимо) от любых других рядов или отдельно от распределительных решеток 9, 26. Обычно каждый ряд барботажных колпачков будет расположен параллельно ограждающей стенке 30, в которой имеется одно или некоторое количество отверстий 85. В результате регулирование псевдоожижения для каждого ряда может оказывать воздействие на более чем один клапан 40, если только ряд барботажных колпачков расположен вблизи более чем одного отверстия 85. Однако возможны воплощения, в которых каждый клапан регулируется отдельно и средства псевдоожижения одного ряда не регулируются одновременно.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что немеханические клапаны 40 могут содержать отверстия 85 в стенке, независимо регулируемые средства 86, 87, 94, 95 псевдоожижения, средства 60 отвода твердой фазы, и другие компоненты в широком разнообразии конфигураций.
Фиг. 5А иллюстрирует воплощение, подобное примеру на фиг. 3. На фиг. 3 и 5А непосредственно с обеих сторон каждого отверстия 85 расположены средства 60, 61 удаление твердой фазы. Снаружи каждого из средств 60, 61 удаления твердой фазы находится один единственный ряд независимо регулируемых средств 86, 87 псевдоожижения. Барботажные колпачки, находящиеся за указанным одним рядом независимо регулируемых средств 86, 87 псевдоожижения (барботажных колпачков), образуют распределительные решетки 26 и 9 для слоев BFB и CFB соответственно. На фиг. 6 представлено воплощение, подобное примеру на фиг. 4. С каждой стороны ограждающей стенки 30 расположен единственный ряд независимо регулируемых средств 94, 95 псевдоожижения, за которыми размещены средства 60, 61 удаления твердой фазы, за которыми, в свою очередь, размещен один или большее количество рядов независимо регулируемых средств псевдоожижения 86, 87 в примере, иллюстрируемом на фиг. 4, и на два ряда больше в примере на фиг. 6. На фиг. 7 представлена другая альтернатива, согласно которой не все из независимо регулируемых средств псевдоожижения размещены в полных рядах. Два независимо регулируемых средства псевдоожижения в виде двух барботажных колпачков размещены непосредственно с каждой стороны каждого из отверстий 85, однако ряды, ближайшие к отверстиям 85 клапанов 40, не являются непрерывными между этими отверстиями.
Независимо регулируемыми средствами псевдоожижения 86, 87, 94, 95 обычно являются барботажные колпачки, но возможны другие их воплощения. Независимо регулируемые средства псевдоожижения могут представлять собой такие же типы барботажных колпачков, как и используемые в распределительных решетках 9, 26, или они могут принимать другие формы.
Ограждающая стенка предпочтительно образована из труб или трубопроводов, которые охлаждаются водой или водяным паром. Обычно трубы защищены от эрозии и коррозии с помощью защитного слоя, образованного, как правило, с помощью футеровки из огнеупорного материала, удерживаемого с помощью фиксаторов, приваренных к трубам. Трубы могут быть горизонтальными, как показано на фиг. 5В, вертикальными или могут иметь иные расположения. На фиг. 3 и фиг. 4 показаны виды в разрезе труб 50, размещенных внутри ограждающей стенки 30. Фиг. 2 иллюстрирует на виде сверху пример выполнения трубы 50, размещенной внутри ограждающей стенки 30. В качестве варианта трубы могут проходить в перегородки 100, образующие каналы, и соединительные аркообразные поверхности 105, если они имеются. В предпочтительном воплощении вторичный воздух 70 или другой газ подают через сопла 75. Сопла 75 обычно установлены на противоположных стенках 2 камеры сгорания CFB, немного выше днища камеры сгорания. На фиг. 3 представлено увеличенное изображение зоны вокруг немеханического клапана 40 и предпочтительное воплощение клапана. Указанный клапан содержит отверстие 85 в ограждающей стенке 30 и независимо регулируемые средства 86 и 87 псевдоожижения, размещенные выше и ниже по потоку от отверстия 85 соответственно. Эти средства псевдоожижения могут быть выполнены в виде ряда барботажных колпачков, соединенных с соответствующими источниками 47 и 48 псевдоожижающей среды 45 и 46 соответственно. Каждое средство псевдоожижения, т.е. 86 или 87, может состоять из нескольких групп барботажных колпачков, при этом каждая группа питается псевдоожижающей средой от своего собственного источника 47 или 48, при этом расход регулируется для каждой группы колпачков независимо. Такая группа может быть выполнена в виде ряда барботажных колпачков, расположенного параллельно ограждающей стенке 30, в которой имеется отверстие 85. Возможно использование лишь одного средства псевдоожижения (выше или ниже по потоку от отверстия 85), другое средство в некоторых конструкциях отсутствует. Возможно выполнение некоторого количества отверстий 85, имеющих или отдельное или общее средство 86, 87 псевдоожижения, с помощью которых все отверстия 85 могут быть регулируемыми лишь как одна группа, или каждое отверстие 85 может быть регулируемым отдельно.
Как хорошо известно специалистам в данной области техники, наиболее традиционное воплощение распределительной решетки, в частности, решетки 9 для CFB или решетки 26 для BFB, может представлять собой ряд барботажных колпачков, питаемых от соответствующего источника псевдоожижающей среды, т.е. 8 для CFB и 25 для BFB. Для предотвращения эрозии барботажных колпачков (или других средств псевдоожижения) в непосредственной близости от отверстия 85, производимой потоком твердой фазы, проходящим через это отверстие, верхние поверхности указанных барботажных колпачков не должны находиться выше нижней границы отверстия.
Немеханический клапан 40 предпочтительно снабжен средствами 60 и 61 отвода твердой фазы. Указанные средства 60 и 61 отвода выполнены с возможностью создания прохода для удаления агломератов, которые могут образоваться вблизи отверстия или могут быть транспортированы к этому отверстию, и для избирательного удаления агломератов из другой твердой фазы, исходя, например, из их большего размера или веса. Средства 60 и 61 удаления твердой фазы предпочтительно размещают, как выше по потоку, так и ниже по потоку относительно отверстия 85, но их местоположения и количества могут изменяться. Например, средства удаления твердой фазы могут быть размещены только с одной стороны от каждого отверстия в стенке, и между средствами удаления и ближайшим отверстием в стенке могут или не могут быть размещены средства псевдоожижения. Предпочтительно средства 60 и 61 удаления твердой фазы регулируют по отдельности. Предпочтительно средства 60 и 61 удаления герметизированы относительно давления в камере сгорания и регулируют выгрузку твердой фазы. Это может быть осуществлено с помощью шнековых охладителей 88 и 89, которые приспособлены также для охлаждения выгруженной твердой фазы, или с помощью других средств, известных специалистам в данной области техники.
Независимо регулируемые средства 86, 87, 94, 95 псевдоожижения предпочтительно соединены с соответствующими коллекторами 92 и 93. Псевдоожижающую среду 45 и 46 предпочтительно подают в верхние части коллекторов 92 и 93 соответственно, из которых она распределяется в соответствующие средства псевдоожижения. Если происходит обратное падение, например, если подача псевдоожижающей среды прекращается, какое-то количество твердой фазы, падающей в средства 86 и 87 псевдоожижения, должно попадать в коллекторы 92 и 93. Уровень накапливаемой твердой фазы в коллекторах 92 и 93 должен поддерживаться ниже уровня по высоте, с которого происходит подача псевдоожижающей среды 45 и 46, для того чтобы падающая обратно твердая фаза не оказывала влияние на функционирование средств 86 87 псевдоожижения.
В качестве альтернативы, коллекторы 92 и 93 для сбора падающей обратно твердой фазы дополнительно могут быть отделены от пути прохождения псевдоожижающей среды 45,46 в соответствующие средства псевдоожижения. Например, фиг. 4 иллюстрирует воплощение, в котором псевдоожижающую среду 45 и 46 подают в среднюю точку труб, которые направляют эту среду вверх в средства 94 и 95 псевдоожижения соответственно, и вниз в зоны, в которых твердая фаза может накапливаться на достаточном удалении от пути движения псевдоожижающей среды. Специалисты в данной области техники, используя эту концепцию, способны разработать различные средства сбора или улавливания падающей вниз твердой фазы без блокирования прохождения псевдоожижающей среды. В некоторых случаях применения могут быть желательны воплощения, в которых псевдоожижающая среда не проходит через коллекторы 92 и 93.
В предпочтительных воплощениях коллекторы 92, 93 могут быть опорожнены при функционировании камеры сгорания и без прекращения подачи псевдоожижающей среды 45, 46 под давлением к любому средству псевдоожижения. Герметизация коллекторов 92 и 93 при удалении падающей твердой фазы может быть достигнута с помощью поворотных клапанов 96 и 97 или с помощью других средств, известных специалистам. Например, поворотный клапан может быть использован для удаления падающей твердой фазы из нижней части коллектора без открытия прямого пути прохождения псевдоожижающей среды для ее выпуска, при этом коллектор остается под давлением. В качестве альтернативы, сами коллекторы во время их опорожнения могут быть временно герметизированы относительно давления псевдоожижающей среды. Предпочтительно при опорожнении коллекторов 92 и 93 не прерывать потоки 45 и 46 псевдоожижающей среды с тем, чтобы в период указанного опорожнения можно было предотвратить обратное падение дополнительного количества твердой фазы и обеспечить непрерывное функционирования котельной установки. Независимо регулируемые средства 86, 87, 94, 95 псевдоожижения могут быть размещены с одной или с обеих сторон от средств 60 и 61 удаления твердой фазы. Взаимное расположение этих средств, указанное последним, иллюстрируется на фиг. 4. Следует отметить, что могут быть использованы более чем одно средство псевдоожижения или некоторое количество рядов средств псевдоожижения с каждой стороны от каждого отверстия 85. Например, на фиг. 6 представлено воплощение, содержащее три ряда независимо регулируемых средств 86, 87, 94, 95 псевдоожижения с каждой стороны от каждого из отверстий 85. Средства псевдоожижения и средства удаления могут быть эффективно использованы в различных взаимных расположениях, и настоящее изобретение не ограничивается иллюстрирующими воплощениями, показанными на фиг. 3-7. Каждое из средств псевдоожижения 86 и 87 или каждый элемент каждого средства псевдоожижения (например, когда средство псевдоожижения содержит большое число барботажных колпачков) может снабжаться псевдоожижающей средой 45 и 46 индивидуально или с помощью общих источников псевдоожижающей среды 47 и 48, используемых одновременно и для других устройств. Подобным образом, средства 92 и 93 сбора твердой фазы могут или не могут быть общими.
Могут быть использованы такие взаимные расположения, при которых к каждому средству псевдоожижения могут быть избирательно направлены различные псевдоожижающие среды, такие как обычный воздух или воздух с пониженным содержанием кислорода.
Было обнаружено, что существенная турбулентность слоев CFB может препятствовать псевдоожижению в непосредственной близости от немеханических клапанов. Это может оказывать влияние на способность немеханических клапанов регулировать интенсивность отвода твердой фазы, например, из слоя BFB в камеру сгорания со слоем CFB.
Было установлено, что регулируемость скорости отвода твердой фазы может быть улучшена за счет создания каналов, параллельных направлению отвода твердой фазы. Такие каналы обеспечивают беспрепятственное перемещение твердой фазы через отверстие, но препятствуют перемещению частиц слоя в других направлениях. Эти каналы могут быть образованы, например, перегородками 100 с обеих сторон отверстия 85. Каждая перегородка выступает в сторону противоположную ограждающей стенке 30, по меньшей мере, проходит в один из CFB и/или BFB, предпочтительно на расстояние равное, по меньшей мере, половине ширины отверстия. Перегородки, образующие каналы, препятствуют боковому перемещению материала слоя в направлениях, перпендикулярных направлению отвода твердой фазы из BFB в CFB. Не ограничивающие примеры конфигураций перегородки 100 и размещений относительно отверстий 85 иллюстрируются на фиг. 5А, 5 и 7. Верхние части перегородок 100 могут быть также соединены над отверстием (отверстий) 85 поверхностью 105 для ограничения вертикального перемещения материала слоя вблизи отверстия 85. Соединительная поверхность 105 может уменьшить вертикальное перемещение материала слоя, которое перпендикулярно также направлению отвода твердой фазы из BFB в камеру сгорания с CFB. Соединительные поверхности 105 выступают, по меньшей мере, в один из CFB и BFB, предпочтительно, по меньшей мере, настолько, насколько выступают перегородки 100 (фиг. 7). Этот аспект изобретения - использование перегородок 100 параллельных направлению течения твердой фазы для ограничения ее перемещения в перпендикулярном направлении - можно применить к различных разделительным перегородкам, с обеих сторон которых находится псевдоожиженная твердая фаза.
Подобно другим частям ограждающей стенки 30 перегородки 100 и соединительные поверхности 105 могут содержать трубы 500, охлаждаемые водой или водяным паром, и предпочтительно покрытые огнестойким, огнеупорным или подобным материалом.
Размер, форма и длина отверстия 85 может играть определенную роль при регулировании потока зернистой твердой фазы, проходящего со стороны BFB ограждающей стенки 30 к камере сгорания 1 с CFB. В предпочтительном воплощении твердая фаза не будет проходить, главным образом, со стороны BFB через отверстие 85 в ограждающей стенки 30 к стороне CFB в том случае, если твердая фаза, по меньшей мере, в некоторой степени будет псевдоожиженной. Предпочтительно установившийся поток через отверстие 85 может быть восстановлен за счет использования средств 86, 87, 94 и 95 псевдоожижения.
Зона с внутренней стороны ограждающей стенки 30, которая может быть слоем BFB при параметрах псевдоожижения, в комбинации с отверстием 85 надлежащего размера могут совместно функционировать в качестве L-клапана для регулирования прохождения потока зернистой твердой фазы через отверстие. Как известно специалистам в данной области техники, указанные L-клапаны обеспечивают надежное регулирование скорости потока твердой фазы, включая полное прекращение движения потока.
Геометрия L-образного клапана, необходимая для регулирования расхода, зависит от характеристик твердой фазы, в частности, от угла естественного откоса твердой фазы. Хотя наиболее распространенные материалы слоя, полученные при сжигании в CFB, имеют угол естественного откоса в интервале от 35 до 40°, в нетипичных случаях угол естественного откоса может находиться в интервале от 30 до 45°. Выбирая угол естественного откоса в интервале от 35 до 40°, минимальная величина отношения глубины (длины) к высоте (соотношение горизонтального и вертикального размера) канала 85, необходимая для прекращения прохождения потока твердой фазы, для наиболее распространенных случаев составляет приблизительно 1,4-1,2. Величина этого отношения в нетипичных случаях может достигать 1,7 или иметь минимальную величину равную 1,0. Изложенное выше иллюстрируется на фиг. 8А и 8В. Угол естественного откоса твердой фазы, в частности измельченной топливной золы, исходя из которого спроектирован заданный котел с CFB, может быть использован для вычисления желаемых размеров канала 85, в зависимости от того, будет или не будет желательно прохождение твердой фазы через отверстие 85 в отсутствии псевдоожижения. Описанные выше перегородки 100 и соединительные поверхности 105, по усмотрению, могут быть спроектированы для функционирования в качестве части L-образного клапана в дополнение к регулированию бокового перемещения псевдоожижения.
В дополнение к воплощениям, использующим описанные выше перегородки 100 и 105, каналы могут быть образованы иными путями, например, за счет использования толщины ограждающей стенки 30, за счет образования отверстия 85 с помощью трубы 110, и других средств, которые будут очевидны для специалиста в данной области техники. Фиг. 8 иллюстрирует два примера образования отверстий. Элементы, образующие каналы, в частности, перегородки 100, соединительные поверхности 105 или трубы 110, могут быть выполнены из различных материалов, способных выдерживать условия в камере сгорания с CFB: керамика, кирпич, трубы с огнеупорным покрытием, и их комбинация, например, трубы с огнеупорным покрытием и керамические элементы.
Отвод твердой фазы через один или большее число немеханических клапанов 40 может быть остановлен путем прекращения процесса псевдоожижения с помощью подходящих независимо регулируемых средств 86, 87, 94, 95 псевдоожижения. Однако это может привести к агломерации твердой фазы во временно заторможенном слое вблизи закрытого клапана. Агломерация твердой фазы, в особенности, проявляется в том случае, когда непрерывное сжигание топлива приводит к локальному повышению температуры. Поскольку образование агломератов обычно представляет собой медленный процесс, оно может быть предотвращено путем периодического псевдоожижения заторможенного слоя. Такое псевдоожижение может быть кратким по отношению к продолжительности нерабочего периода для минимизации его влияния на общую скорость выгрузки, но достаточной продолжительности для разрушения и предотвращения образования появления агломератов. Например, зоны, ближайшие к отверстиям в стенке или другим зонам, могут быть псевдоожижены в течение коротких периодов времени псевдоожижения, чередующихся с более продолжительными периодами без псевдоожижения.
Как отмечено выше, локальное ухудшение псевдоожижения может привести к локальному повышению температуры вследствие непрерывного горения, что обуславливает образование агломератов. Поэтому в некоторых случаях желательно уменьшить интенсивность локального тепловыделения в тех зонах слоя, в которых может быть уменьшено перемешивание (по меньшей мере, временно), в частности, вблизи отверстия 85, для уменьшения возможности образования в этих зонах агломератов. Снижение интенсивности тепловыделения вокруг отверстия 85 может быть достигнуто за счет использования псевдоожижающей среды 45 и 46 с пониженным содержанием кислорода, например, отходящего газа. В зависимости от компонентного состава топлива, золы и других твердых фаз, снижение содержания кислорода в псевдоожижающей среде до 15% может быть достаточным для предотвращения агломерации. В других случаях для достижения надлежащего охлаждения содержание кислорода в указанных веществах может быть уменьшено до 12% или даже до 9% или 6%. Для предотвращения агломерации среда с низким содержанием кислорода может быть использована в комбинации с методом прерывистого псевдоожижения.
Специалистам в данной области техники будет понятно, что усовершенствованные немеханические клапаны в настоящем изобретении, включающем использование средств 60 и 61 удаления агломератов, средств 92 и 93 сбора падающей обратно твердой фазы, соединенных со средствами 86, 87, 94, 95 псевдоожижения, ориентированными перпендикулярно перегородкам 100 и 105, образующим каналы, отверстиям клапанов, имеющим определенное отношение длины к высоте, и/или другие отмеченные выше усовершенствования, могут быть использованы в разнообразных котлах и других известных в уровне техники устройствах, содержащих псевдоожиженные слои. Не ограничивающие примеры описаны в патентных документах, указанных выше в разделе «Уровень техники», а также в других источниках, например: Steam/its generation and use, 41st Edition, Kitto and Stultz, Eds., Copyright© 2005, The Babcock & Wilcox Company, Barberton, Ohio, U.S.A., pp.17-1-17-15. Lib. of Congress No. 92-74123.
Настоящее изобретение было описано выше со ссылкой на примеры воплощения. Очевидно, что при прочтении и понимании изложенного выше подробного описания изобретения можно представить себе различные модификации и изменения. Предполагается, что настоящее изобретение будет истолковано, как включающее все такие модификации и изменения постольку, поскольку они могут находиться в пределах объема приложенных пунктов формулы изобретения или их эквивалентов.
Хотя в целях пояснения применения и принципов настоящего изобретения были показаны и подробно описаны конкретные его воплощения, следует понимать, что настоящее изобретение не предполагается ограничивать этими воплощениями, и изобретение может быть осуществлено иным образом без отступления от его принципов. В некоторых воплощениях изобретения определенные его особенности могут быть в некоторых случаях использованы для достижения преимуществ без соответствующего использования других особенностей. Соответственно, все такие изменения и воплощения надлежащим образом входят в объем изложенных ниже пунктов формулы.