РЕАКТОРНАЯ УСТАНОВКА С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ
REACTOR PLANT WITH FLUIDISED BED

Настоящее изобретение относится к реакторной установке с псевдоожиженным слоем согласно ограничительной части п. 1 формулы изобретения, в которой реактор с псевдоожиженным слоем содержит по меньшей мере донную часть, крышечную часть и по меньшей мере одну боковую стенку, вертикально проходящую между донной частью и крышей, причем упомянутая боковая стенка выполнена наклонной у ее нижней части таким образом, что поперечное сечение реакторной камеры реактора уменьшается к донной части, и причем эта реакторная установка с псевдоожиженным слоем содержит камеру теплообмена у наклонной области упомянутой боковой стенки снаружи реакторной камеры, и в котором упомянутая боковая стенка, проходящая между донной частью и крышей и выполненная наклонной у ее нижней части, образует разделительную стенку между камерой теплообмена и реакторной камерой, и в котором камера теплообмена проходит от разделительной стенки к другой стороне плоскости, проходящей через боковую стенку.
Реакторная камера реактора с псевдоожиженным слоем обычно содержит внутреннюю часть, которая является прямоугольной в горизонтальном поперечном сечении, образованную четырьмя боковыми стенками, дном и крышей, в которой внутренний слой материала, содержащий твердый материал и, например, топливо, псевдоожижается посредством псевдоожижающего газа, в целом, кислородного, первичного газа, требуемого для экзотермических химических реакций, происходящих в реакторной камере. Внутренняя часть, иначе говоря, реакторная камера, называется камерой сгорания, и реактор называется котлом с псевдоожиженным слоем, когда в реакторе с псевдоожиженным слоем осуществляется процесс сгорания. Боковые стенки реакторной камеры обычно также предусмотрены по меньшей мере с трубопроводами для подачи топлива и подачи вторичного воздуха.
Боковые стенки реакторной камеры обычно изготавливаются содержащими панели, образованные из трубок и ребер между ними, посредством чего энергия, высвобождаемая в химических реакциях топлива, используется для испарения воды, текущей в трубках. Поверхности перегревателя также часто предусмотрены в реакторе с псевдоожиженным слоем для дополнительного увеличения содержания энергии в паре.
Реактор с псевдоожиженным слоем может быть, например, реактором с циркулирующим псевдоожиженным слоем или реактором с кипящим слоем. Реакторы с псевдоожиженным слоем используются в различных процессах сгорания, процессах теплообмена, химических и металлургических процессах. В процессе сгорания компоненты псевдоожиженного слоя могут включать в себя гранулированные субстанции, такие как песок, зола, обессеривающие присадки или катализаторы.
Характерным признаком реактора с псевдоожиженным слоем является использование слоя твердого материала в качестве материала процесса. Слой материала выполняет функцию, например, компонента, стабилизирующего температуру в реакторной камере, и связывает в ней значительное количество тепла. Таким образом, слой материала может быт использован также для передачи тепла от реакции к носителю. В станциях сжигания с псевдоожиженным слоем восстановление тепла обычно происходит в камере сгорания и в конвекционной части посредством поверхностей теплообмена, которые расположены ниже по потоку от сепаратора частиц в потоке газа. Поверхности теплообмена, такие как перегреватели, обычно расположены, например, в свободном пространстве в верхней части реакторной камеры и в конвекционной части, следующей за ней, для перегревания пара.
В реакторах с псевдоожиженным слоем само по себе известно использование камер теплообмена для шлама, отделяемого от реакторной камеры, то есть, теплообменников с псевдоожиженным слоем, к которым слой материала может быть подан из реакторной камеры и охлажден в теплообменнике с псевдоожиженным слоем, например, перед рециркуляцией шлама обратно к слою материала реакторной камеры.
Такие теплообменники с псевдоожиженным слоем обычно работают как так называемый кипящий слой. Камера теплообмена может быть расположена либо внутри самого реактора, либо снаружи него. В публикации патента Финляндии № FI119916 описана такая камера теплообмена, расположенная внутри реактора. Когда камера теплообмена находится внутри реактора, она предпочтительно поддерживается посредством стенок и/или донной части реактора.
В публикации WO 94/22571 описана камера теплообмена, которая расположена снаружи действительной реакторной камеры. Камера теплообмена расположена в соединении с реактором с циркулирующим псевдоожиженным слоем таким образом, что она участвует в так называемой внутренней циркуляции шлама. Здесь, часть потока слоя материала внутри реакторной камеры направляется непосредственно от реакторной камеры к камере теплообмена и оттуда обратно к реакторной камере.
В публикации США 4896717 описана камера теплообмена, которая расположена снаружи действительного реактора. Здесь, камера теплообмена присоединена к наружной циркуляции шлама в реакторе с циркулирующим псевдоожиженным слоем, иначе говоря, шлам, подводимый к камере теплообмена, отделяется от газа, выходящего из реакторной камеры.
Поддерживание и присоединение камеры теплообмена для шлама, отделяемого от реакторной камеры, к действительной реакторной камере является проблематичным особенно в том, что камера теплообмена, горизонтально проходящая далеко от реакторной камеры, то есть, по меньшей мере частично наружу плоскости боковой стенки реакторной камеры, требует отдельной опоры, которая занимает место вокруг реакторной камеры и, таким образом, уменьшает возможности расположения дополнительного оборудования. Например, камера теплообмена, описанная в публикации США 4896717, простирается далеко под сепаратор твердого вещества, так что на практике она должна поддерживаться очень сильно, например, посредством поддерживания ее с циклона сверху, посредством чего только часть ее массы передается к стенке реакторной камеры.
Несмотря на то, что реакторы с псевдоожиженным слоем. известные из предшествующего уровня техники, как таковые являются преимущественными, недавно возникла необходимость в разработке улучшенного реактора с псевдоожиженным слоем, в котором камера теплообмена присоединена к реактору с псевдоожиженным слоем улучшенным образом.
Задачи изобретения достигаются посредством реакторной установки с псевдоожиженным слоем, в которой реактор с псевдоожиженным слоем содержит по меньшей мере донную часть, крышу и по меньшей мере одну боковую стенку, вертикально простирающуюся между донной частью и крышей, причем упомянутая боковая стенка выполнена наклонной у ее донной части таким образом, что поперечное сечение реакторной камеры реактора уменьшается к нижней части, и причем это реакторная установка с псевдоожиженным слоем содержит камеру теплообмена у наклонной области упомянутой боковой стенки снаружи реакторной камеры, и в котором упомянутая боковая стенка, простирающаяся между донной частью и крышей и выполненная наклонной у ее нижней части, образует разделительную стенку между камерой теплообмена и реакторной камерой, и в котором камера теплообмена простирается от разделительной стенки к другой стороне плоскости, простирающейся через боковую стенку. Изобретение отличается тем, что задняя стенка камеры теплообмена присоединена к боковой стенке реакторной камеры от верхней части задней стенки у области соединения таким образом, что ее направление выровнено с направлением боковой стенки по меньшей мере у соединения.
Таким образом, перенос массовых сил камеры теплообмена к реакторной камере может быть выполнен преимущественным образом посредством поддерживания камеры теплообмена, по существу, полностью реакторной камерой. Таким образом, по существу, основная часть ее массовых сил, предпочтительно, по существу, все массовые силы, направлена к реакторной камере. Посредством этого, для камеры теплообмена не требуются такие поддерживающие структуры, которые бы обеспечивали ее опору на фундамент или опорную раму устройства с псевдоожиженным слоем.
Согласно варианту осуществления, упомянутая камера теплообмена полностью поддерживается реакторной камерой. Таким образом, поддерживающие силы могут быть переданы прямо к реакторной камере, и структура является крепкой и простой.
Согласно другому варианту осуществления, плоскость Р, простирающаяся через боковую стенку реактора с псевдоожиженным слоем, выровнено по меньшей мере в области соединения с упомянутой плоскостью, простирающейся через заднюю стенку. Таким образом, минимальная составляющая силы, отклоняющаяся от вертикального направления, образуется у соединения, и, таким образом, соединение является крепким.
Согласно еще одному варианту осуществления, камера теплообмена содержит концевые стенки в соединении с обоими краями ее задней стенки, простирающиеся от упомянутой области соединения к донной части камеры теплообмена, и камера теплообмена расположена горизонтально только на части расстояния между краями боковых стенок реакторной камеры.
Согласно еще одному варианту осуществления, реакторная установка с псевдоожиженным слоем содержит множество камер теплообмена на расстоянии между концами боковых стенок.
Согласно еще одному варианту осуществления, задняя стенка камеры теплообмена образована из мембранной структуры, и боковая стенка реактора с псевдоожиженным слоем образована из мембранной структуры, и мембранная структура задней стенки соединена с системой подачи воды реактора с псевдоожиженным слоем, и мембранная структура боковой стенки соединена с испарительной системой реакторной установки с псевдоожиженным слоем. Посредством этого, реакторная установка с псевдоожиженным слоем является предпочтительно прямоточным котлом.
Согласно еще одному варианту осуществления, задняя стенка камеры теплообмена образована из мембранной структуры, и боковая стенка реактора с псевдоожиженным слоем образована из мембранной структуры, и в области соединения первая группа трубок мембранной структуры выполнена с возможностью прохождения в наклонно расположенной боковой стенке, и вторая группа трубок мембранной структуры выполнена с возможностью прохождения в задней стенке камеры теплообмена.
Согласно еще одному варианту осуществления, камера теплообмена имеет определенный центр тяжести, особенно в ситуации, в которой камера теплообмена содержит заданное номинальное количество шлама, иначе говоря, слой материала, который распределен заданным образом, и камера теплообмена расположена таким образом, что центр тяжести объединяется с плоскостью Р.
Другие дополнительные признаки, типичные для изобретения, будут поняты из прилагаемой формулы изобретения и описания вариантов осуществления на чертежах.
Изобретение и его работа описаны ниже со ссылкой на прилагаемые схематичные чертежи, в которых:
На фиг.1 изображен вариант осуществления реакторной установки с псевдоожиженным слоем согласно изобретению;
На фиг.2 изображен вариант осуществления камеры теплообмена реакторной установки с псевдоожиженным слоем согласно изобретению;
На фиг.3 изображено предпочтительное соединение согласно изобретению; и
На фиг.4 изображено другое предпочтительное соединение согласно изобретению.
Изобретение описано ниже, соответственно, со ссылкой как на фиг.1, так и на фиг.2, на которых соответствующие признаки обозначены одинаковыми ссылочными позициями. На фиг.1 схематично изображен вариант осуществления реакторной установки 10 с псевдоожиженным слоем согласно изобретению. Реакторная установка 10 с псевдоожиженным слоем содержит реактор с псевдоожиженным слоем, имеющий, например, реакторную камеру 20, сепаратор 18 твердого вещества. Реактор с псевдоожиженным слоем предпочтительно является котлом с циркулирующим псевдоожиженным слоем. На фиг.2 изображена камера 30 теплообмена реакторной установки с псевдоожиженным слоем в нижней части реактора.
Котел 10 с циркулирующим псевдоожиженным слоем содержит донную часть 12 и крышу 16 и стенки 14, проходящие между ними. К тому же понятно, что реактор с псевдоожиженным слоем содержит много деталей и элементов, которые не показаны здесь для ясности. Донная часть, крыша и стенки 14 образуют упомянутую реакторную камеру 20, которая в котле называется печью. Нижняя часть 12 также включает в себя сетку 25, через которую псевдоожижающий газ подается в реактор. Реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем дополнительно содержит сепаратор 18 твердого вещества, который обычно является циклонным сепаратором. Сепаратор твердого вещества присоединен к реакторной камере из ее верхней части, вблизи от крыши, посредством соединительного канала 22, через который реакторный газ и шлам могут течь к сепаратору 18 твердого вещества. В сепараторе твердого вещества твердый материал отделяется от газа, причем этот твердый материал может быть рециркулирован, после возможной обработки, такой как охлаждение, обратно в реакторную камеру 20, то есть в печь. Для этого сепаратор твердого вещества присоединен, например, к нижней части реакторной камеры 20 посредством обратного трубопровода 24. Газ, от которого был отделен твердый материал, проводится в системе для дальнейшей обработки через соединение 26 выпуска газа сепаратора твердого вещества.
Две противоположные боковые стенки 14.1, 14.2 реактора с псевдоожиженным слоем расположены наклонно в нижней части реактора с псевдоожиженным слоем таким образом, что боковые стенки приближаются друг к другу к донной части 12. Здесь реакторная камера 20 является квадратной в поперечном сечении, так что она ограничена вдобавок к боковым стенкам также концевыми стенками, одна 14.3 из которых показана в связи с этим. Стенки 14 содержат испарительные трубки, которые предпочтительно расположены таким образом, что тепловая нагрузка реактора на них всех является, по существу, одинаковой. Следует заметить, что на чертеже трубки для простоты показаны линиями, и ребра, в действительности соединяющие трубки, показаны расстояниями между линиями. На практике, стенки реактора с псевдоожиженным слоем предпочтительно образованы из мембранной структуры 31, в которой смежные поточные трубки/каналы присоединены друг к другу посредством пластинчатого ребра.
Реакторная установка 10 с псевдоожиженным слоем содержит камеру 30 теплообмена для охлаждения твердых частиц. Камера 30 теплообмена расположена в соединении с реакторной установкой 10 с псевдоожиженным слоем таким образом, что она предпочтительно имеет общую разделительную стенку 32 с реакторной камерой 20. Разделительная стенка 32 представляет собой наклонную стенку 14.1 в нижней части реактора с псевдоожиженным слоем. Камера теплообмена также содержит заднюю стенку 20, присоединяющуюся ее верхней частью к боковой стенке 14.1 реакторной камеры 20 реакторной установки с псевдоожиженным слоем. Задняя стенка горизонтально параллельна разделительной стенке 32, и между ними образовано внутреннее пространство камеры 30 теплообмена. Соединение 36 осуществлено таким образом, что массовые силы могут быть переданы посредством задней стенки 34 к боковой стенке 14.1 реактора. В соединении 36 камеры 30 теплообмена и боковой стенки 14.1, направление задней стенки выровнено с направлением боковой стенки. Посредством этого направление силы, передаваемой к боковой стенке 14.1 реакторной камеры 20 через заднюю стенку 34, по существу, параллельно боковой стенке 14.1, и соединение 36 является особенно сильным. Соединение также может быть описано таким образом, что плоскость Р проходит через боковую стенку 14.1 реактора, и посредством этого часть задней стенки расположена таким образом, что плоскость Р, проходящая через заднюю стенку 14.1, присоединяется к плоскости, проходящей через упомянутую часть задней стенки 34. Таким образом, эта часть проходит на расстояние от соединения, после которого задняя стенка направлена от разделительной стенки 32.
Камера 30 теплообмена содержит концевые стенки 38 в соединении с обоими краями ее задней стенки 34. Задняя стенка 34 присоединена к концевым стенкам 38 по меньшей мере на расстоянии D, причем на этом расстоянии задняя стенка 34 параллельна боковой стенке 14.1. Концевые стенки предпочтительно также присоединены к наклонной боковой стенке, иначе говоря, к разделительной стенке 32. Концевые стенки предпочтительно расположены на области между соединением 36 и донной частью 12. Посредством этого часть боковой стенки 14.1 над соединением 36 остается свободной от концевых стенок, что обеспечивает более простое расположение других устройств, относящихся к реактору, таких как, в частности, система рециркуляции твердого материала и/или подающие устройства для газа/топлива.
Камера теплообмена предусмотрена с теплообменником с псевдоожиженным слоем, содержащим у нижней части упомянутого теплообменника средство 40 для подачи псевдоожижающего газа, вход 42 и выход 44 для твердого материала, и поверхности 46, 48 теплообмена. Камера 30 теплообмена проходит от разделительной стенки 32, проходя к другой стороне через плоскость Р, посредством чего она по меньшей мере частично проходит наружу в вертикальной проекции относительно реакторной камеры, иначе говоря, с двух сторон. Посредством этого задняя стенка 34 камеры 30 теплообмена также содержит по меньшей мере одну наклонную часть. Наклон задней стенки 34 направлен в противоположном направлении относительно наклона разделительной стенки 32. Камера теплообмена имеет некоторый центр G тяжести, особенно в ситуациях, в которых она содержит в себе номинальное количество твердого материала, иначе говоря, слой материала, распределенного заданным образом. Камера теплообмена расположена согласно предпочтительному варианту осуществления таким образом, что центр G тяжести объединяется с плоскостью Р. Таким образом, нагрузка на боковую стенку 14.1 реакторной камеры 20 в соединении 36 задней стенки распределяется преимущественным образом, и структура является особенно крепкой. Вес камеры теплообмена распространяется на большое расстояние в боковой стенке 14.1 и в задней стенке 34 камеры теплообмена через концевые стенки камеры теплообмена. Длина D части задней стенки, параллельной боковой стенке у соединения 36 задней стенки, определена таким образом что отношение длины D к расстоянию 30' между концевыми стенками 38 в связи с обоими краями задней стенки 34 камеры 30 теплообмена составляет по меньшей мере 0,5. Таким образом, нагрузка камеры теплообмена может быть распределена преимущественным образом к задней стенке.
Ширина задних стенок 38 камеры теплообмена в части 38', соединяющейся с плоскостью Р, по существу, соответствует по меньшей мере перпендикулярному расстоянию Х задней стенки 34 от разделительной стенки 32 в пределах расстояния D от соединения 36. Таким образом, задняя стенка 34 присоединена к концевой стенке в области в пределах ее края, посредством чего сила, передающаяся между задней стенкой и концевой стенкой, распространяется преимущественным образом, более равномерно, чем в ситуациях, в которых задняя стенка была присоединена к краю концевой стенки.
Когда реактор используется, в реакторе образуется псевдоожиженный слой, предпочтительно циркулирующий псевдоожиженный слой. В циркулирующем псевдоожиженном слое быстрый псевдоожиженный слой твердых частиц образует внутреннюю циркуляцию частиц в реакторной камере, посредством чего твердые частицы в основном текут вверх в центральной части реакторной камеры и вниз вдоль ее боковых стенок. К тому же твердые частицы перемещаются горизонтально, заставляя частицы эффективно смешиваться. В основном более мелкие твердые частицы увлекаются с газом к верхним частям реакторной камеры 20, таким образом, утекая вниз вдоль стенок или боковых путей внутри реакторной камеры, тогда как более крупные частицы скапливаются к донной части реакторной камеры.
Частицы такой внутренней циркуляции, текущие вниз вдоль боковых стенок, могут быть направлены через отверстия разделительной стенки 32. так называемый впуск 42, к камере теплообмена. Так называемый кипящий слой расположен внутри камеры теплообмена. Твердый материал рециркулирует из него обратно к быстрому псевдоожиженному слою реакторной камере, и новый твердый материал непрерывно добавляется к верхней части кипящего слоя. Камера теплообмена может также находиться в соединении с обратным трубопроводом 24' сепаратора твердого вещества. В реакторной установке с псевдоожиженным слоем также возможно иметь некоторое количество камер теплообмена, часть из которых или все они могут быть присоединены к описанному выше трубопроводу внутренней циркуляции и/или обратному трубопроводу сепаратора твердого вещества.
На фиг.3 схематично проиллюстрировано предпочтительное соединение 300 парового контура реакторной установки с псевдоожиженным слоем для паровой системы согласно изобретению, посредством чего реакторная установка с псевдоожиженным слоем является прямоточным котлом с псевдоожиженным слоем. Здесь, система 304 подачи воды, содержащая нагреватель подачи воды и расположенная ниже по потоку от насоса 302 подачи воды в направлении потока пара/воды, содержит мембранную стенку концевых стенок 38 и/или задней стенки 34 камеры 30 теплообмена. Испарительная система 306, в свою очередь, содержит мембранную стенку реакторной камеры 20. Перегревательная система 308 может содержать, например, поверхность 46 теплообмена, расположенную в псевдоожиженном слое камеры теплообмена.
На фиг.4 схематично проиллюстрировано другое предпочтительное соединение 300 парового контура реакторной установки с псевдоожиженным слоем для паровой системы согласно изобретению, посредством чего реакторная установка с псевдоожиженным слоем является котлом с естественной циркуляцией. В этом варианте осуществления существует система 304 подачи воды ниже по потоку от насоса 302 подачи воды в направлении потока пара/воды. Испарительная система 306 котла содержит как мембранную стенку концевых стенок 38 и/или задней стенки 34 камеры теплообмена, так и мембранную стенку реакторной камеры 20. Также в этом варианте осуществления перегревательная система 308 может содержать, например, поверхность 46 теплообмена, расположенную в псевдоожиженном слое камеры теплообмена. Посредством этого, первая группа трубок мембранной структуры 31 разделительной стенки 32 в области соединения 36 простирается в наклонной боковой стенке, и вторая группа трубок мембранной структуры простирается в задней стенке 34 камеры теплообмена (фиг.1).
Несмотря на то, что изобретение было описано в этом документе с помощью примеров, связанных с тем, что в настоящее время подразумевается как наиболее предпочтительные варианты осуществления, следует понимать, что изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления, но направлено на покрытие различных комбинаций или модификаций его признаков и некоторых других применений, включенных в объем изобретения, определенный в прилагаемой формуле изобретения. Так, камера теплообмена также может быть в соединении с обратным трубопроводом 24' сепаратора твердого вещества. Признаки, описанные с вариантами осуществления, могут быть использованы с другими вариантами осуществления в объеме изобретения, и/или описанные признаки могут быть объединены для образования различных объектов, если таковые являются желаемыми и технически осуществимыми.