循环流化床燃烧装置 本发明涉及一种采用了双层叶栅式高温气固分离器、叶栅——旋风式中低温气固分离器以及采用高位返料的流化床热交换器的循环流化床燃烧装置。
一般的循环流化床燃烧装置主要由炉膛、高温气固分离器及尾部对流烟道组成。其基本原理是：燃料在炉膛内燃烧，燃烧所需的一部分空气由炉膛底部供入炉膛，称这部分空气为一次风；燃烧所需的另一部分空气则由炉膛中下部的四周壁面供入炉膛，称这部分空气为二次风。燃料呈颗粒状(一般是煤)，由炉膛下部的侧壁供入炉膛。燃料在空气作用下，一面燃烧，一面被夹带着上升。炉膛的中上部分的壁面由水冷管组成，管内流通被加热介质(一般为水或蒸汽)，吸收燃料燃烧所放出的一部分热量。加入的燃料、燃烧着的燃料及其它颗粒统称为固体颗粒。固体颗粒被气流夹带上升过程中，一部分会下落，另一部分则随气流(即烟气)在炉膛的上部出口离开炉膛，进入高温气固分离器。被高温气固分离器分离出的固体颗粒，由分离器的底部离开分离器，再通过管道及密封阀，由炉膛下部的后墙返回炉膛；烟气则由高温气固分离器的另一个出口离开分离器，进入尾部对流烟道。尾部对流烟道中布置了多组受热面，进一步吸收烟气中的热量。当烟气温度降至一定水平(一般是140℃)后离开尾部对流烟道，适当处理后经烟囱排放。US4796546所公开的专利就属于这种循环流化床装置。
循环流化床燃烧装置的关键之一是固体颗粒与烟气的分离。一般的方法是在炉膛出口与尾部对流烟道之间设置一个或数个旋风筒式高温气固分离器。这种分离器的结构非常复杂，体积相当庞大，成本高昂。另一种方法是用结构简单的惯性式高温气固分离器取代旋风式高温气固分离器，如US4992085、US4951611、US4796546等专利所示，但这些惯性式高温气固分离器的结构虽然简单，体积却仍很大。最紧凑的惯性式气固分离器是百叶窗式气固分离器，如专利US4640201及UK2130118A所示。但在这两个专利中，百叶窗的布置方式不好，使得整个分离器的体积仍很大，结构并未简化；另外，其叶片地设计不好，采用了全金属结构，防磨措施难以实施，维修困难。采用惯性式高温气固分离器的循环流化床燃烧装置，一般应该在尾部对流烟道中再设一级气固分离器，以回收烟气中所夹带的细颗粒。对于这级气固分离器，一般采用多管式旋风筒，但由于烟气的入口及出口都在多管式旋风筒的上方，所以为了烟道的布置，往往应将这级分离器设置在专门的钢架上，如EP438169A2所示，这样增加了循环流化床燃烧装置的占地面积及成本。
循环流化床燃烧装置的另一个关键是控制床温。普通的方法是调节一次风量与二次风量的相对百分比；第二种方法是控制返回炉膛的固体颗粒的温度，即让高温分离的固体颗粒全部或部分地通过热交换器，降低温度，然后再返回炉膛。热交换器有不同的布置方式。常见的是将热交换器设置成一个分立单元，分别用管道将热交换器与料腿及炉膛底部连接起来，缺点是固体颗粒连接管中的输送比较困难。另一种是将热交换器设置在料腿中，这样可利用固体颗粒自上而下的自然流动，不需要专门的管道，也不额外占据空间，US4454838所公开的专利就采用了这种热交换器，它的缺点是所有的高温固体颗粒都经过热交换器才返回炉膛，调节手段不够。
本发明的目的是提供一种循环流化床燃烧装置，采用了设置在炉膛出口的双层叶栅式高温气固分离器，以及设置在尾部对流烟道中的叶栅——旋风式中低温气固分离器，同时在高温气固分离器下设置了带有两组高位返料口的流化床热交换器，能够有效地避免上述缺陷。
本发明的任务是以如下方式完成的：
在炉膛出口处，从炉膛后墙引出两排垂直的水冷管构成支架，在支架上焊上用耐高温抗磨蚀的金属材料制成的托钩，在托钩上插入用工业陶瓷制成的叶片，从而构成垂直的双层叶栅式高温气固分离器。双层叶栅的第一层即为炉膛出口，主要起导流作用，使从炉膛流出的高温烟气及高温固体颗粒，在第一层叶栅的导流下，转为向下流动；双层叶栅的第二层在炉膛出口的外侧，与第一层叶栅平行，主要起分离作用，它使向下流动的烟气突然转为向上流动，穿过第二叶栅，而固体颗粒因惯性较大，在离心力作用下脱离烟气，被第二层叶栅截获，而后下落。由于支架是水冷管，且是垂直的，所以布置及悬吊都很方便。支架的防磨可利用托钩兼顾，也可直接覆盖上防磨材料，如高温混凝土。叶片之间是彼此分立的互相不影响，插入与取出都很方便；叶片最好采用工业陶瓷材料，如碳化硅或刚玉，抗磨蚀，成本低。叶片具有特殊的形状，由于采用第一层叶栅起导流作用，因此不必用烟道来组织烟气的流动，可提高第二层叶栅的位置；同时，第一层叶栅的均匀导流，能够有效地抑制烟气转向时所容易产生的大涡流及脉动，我们的试验证实，这种大涡流及脉动对第二层叶栅的气固分离是非常有害的。
在高温气固分离器的下面直接设置流化床热交换器。热交换器的固体颗粒出口直接接在炉膛后墙上，实行高位返料，即返料口的高度在炉膛出口与二次风口之间。这样可简化固体颗粒的通道。为了调节经过热交换器的固体颗粒流量，在热交换器与高温气固分离器之间设置分流调节器，它实际上是由二个U型气动阀并联而成的，有一个入口二个出口，其中一个出口直接接在炉膛后墙，使固体颗粒不经过热交换器，直接返回炉膛；另一个出口与热交换器的入口连接。这样，通过调节二个U型气动阀的流化风量，可以控制进入热交换器的固体颗粒流量。采用高位返料及分流调节器，使热交换器的结构简化，调控方便。
为了提高总的气固分离效率，在尾部对流烟道中设置紧凑高效的气固分离器，分离的固体颗粒由炉膛下部的后墙返回炉膛。本发明所提供的中低温气固分离器由多个直流式叶栅——旋风子并联而成，可直接设置在尾部对流烟道中，其原理是：叶栅——旋风子由两个半径不等的同轴圆筒构成，在顶部的大小圆筒间的环缝上，设置导流叶片，使轴向流来的烟气汇入环缝，同时获得切向分速度；小圆筒的中部为环形叶栅，烟气穿过环形叶栅流进小圆筒，而后向下流出叶栅——旋风子，完成净化过程；烟气中的颗粒则在离心力作用下向大圆筒的内壁漂移，且下落，由底部的排灰口排出叶栅——旋风子。为了提高叶栅一旋风子的分离效率，可以从排灰口抽出一小部分烟气，将其引入设置在尾部对流烟道外的垂直逆流式旋风筒，分离下的颗粒通过返料器返回炉膛，或者为了调节炉膛内的固体颗粒浓度，可以将这部分固体颗粒直接排放；从旋风筒排出的烟气可以送入尾部对流烟道，或经风机升压后送入炉膛。
以下结合附图对本发明做进一步详细描述。
图1是本发明的一个典型实施例的纵向剖面图
图2是图1中沿A-A或B-B的局部剖视图，说明支架形式，未示出叶片
图3类似于图2，说明另一种支架形式，未示出叶片
图4是图1中沿A-A线的局部剖视图，示出叶片与支架间的相对位置
图5类似图4，示出了叶片与支架的另一种相对位置
图6是图1中沿B-B线的局部剖视图，示出了叶片与支架间的相对位置
图7类似于图6，示出了叶片与支架间的另一种相对位置
图8是图1中局部C的大样，示出了叶片间的相对位置
图9类似于图8，是另一种叶片间的相对位置
图10是图1中局部D的大样，示出了叶片间的相对位置
图11是图1中局部C的大样，示出了支架与叶片间的连接关系
图12类似于图11，示出了支架与叶片间的另一种连接关系
图13是本发明的一种典型的叶栅——旋风子的局部的轴向剖视图
图14是本发明的另一种实施例，示出了中低温气固分离器在尾部对流烟道中的布置
参照图1，一次风从炉底(1)供入炉膛(4)，二次风从炉膛(4)的下部侧壁(3)供入炉膛(4)，燃料从炉膛(4)下部的侧壁(2)供入炉膛(4)。烟气及所夹带的固体颗粒(19)从炉膛(4)的上部的出口(5a至5b之间)离开炉膛(4)，进入双层叶栅式高温气固分离器(5)、(6)。第一层叶栅(5)就是炉膛(4)的出口，第二层叶栅(6)在炉膛(4)出口的外侧，与第一层叶栅(5)平行。参照图8，烟气及所夹带的固体颗粒(19)在第一层叶栅(5)的导流下，转为向斜下方流动；参照图10，向斜下方流动的烟气及所夹带的颗粒(19)撞击到第二层叶栅(6)的叶片(6b)后发生了分离，绝大部分固体颗粒(19a)受离心力的作用，与烟气(19c)分离，而后靠惯性及重力下落；烟气(19c)及一小部分极细小的固体颗粒(19b)，则穿过叶片(6b)，离开双层叶栅式高温气固分离器(5)(6)，进入尾部对流烟道(10)。为便于固定，第一、二层叶栅(5)、(6)最好都采用垂直的悬吊方式。为了保证第一层叶栅(5)的导流作用，第一、二层叶栅(5)、(6)间的水平距离(E)应当控制，E不应大于4米，最好小于1米。由上述可见，采用前后两层叶栅结合的方式，使得高温气固分离器(5)(6)所占空间很小，对炉膛④及尾部对流烟道(10)均无特殊要求，高温分离器(5)(6)的布置方便，气固分离效果得到改善。
参照图1，被双层叶栅式高温气固分离器(5)(6)所分离的固体颗粒(19a)，通过夹道(7)进入分流调节器(8)。分流调节器(8)由并联的两组U型气动阀(8a)、(8d)组成，U型气动阀(8a)、(8d)所需的流化介质为高压空气或高压烟气，分别由各自的风室(8c)、(8f)供入，调节各组U型气动阀的流化介质供入量，就可调节通过相应的U型气动阀的固体颗粒流量，即可以让固体颗粒全部或部分通过U型气动阀(8a)，由出口(8b)直接返回炉膛④；也可以让固体颗粒全部或部分通过U型气动阀(8d)由出口(8e)，通过连接管(9a)进入流化床热交换器(9)，降低温度后由出口(9d)返回炉膛(4)。流化床热交换器中布置了水冷受热面(9b)，固体颗粒呈流态化，流化介质由风室(9c)供入。由上述可见，将流化床热交换器高位布置，采用高位返料，即流化床热交换器(9)及返料口(8b)、(9d)均位于高温气固分离器(5、6)以下，二次风口(3)以上，这样可简化固体颗粒的连接通道，在高温气固分离器(5、6)与流化床热交换器(9)之间设置分流调节器(8)，可方便地调节固体颗粒(19a)的流向，控制固体颗粒(19a)返回炉膛④的温度。
参照图1，经双层叶栅式高温气固分离器(5)(6)初步净化后的烟气(19c)及所夹带的固体颗粒(19b)，依次流经各组受热面(20)。为了回收烟气(19c)中的固体颗粒(19b)，在尾部对流烟道(10)的中低温区设置气固分离器(11)。经气固分离器(11)分离出的固体颗粒(19b)，排入连接管(12)。为了提高气固分离器(11)的分离效率，从中引出一小部分烟气(19d)，与被分离的固体颗粒(19b)一起，通过连接管(12)，进入设置在尾部对流烟道(10)之外的垂直逆流式旋风筒(13)。分离下的固体颗粒(19b)离开旋风筒(13)，通过连接管(14)返回炉膛(4)；烟气(19d)从旋风筒顶部排烟口排出，可通过连接管(图中未画出)引回尾部对流烟道(10)，也可以通过风机升压后供入炉膛(4)(图中未画出)。如果分离器(11)采用直流式叶栅——旋风子，则可减小体积，直接设置在尾部对流烟道(10)内，无需另立钢架。
以上结合附图，着重描述了本发明的工作原理。下面结合附图着重描述本发明的结构。
参照图1和图2，炉膛(4)的后墙(4a)上的水冷管在炉膛出口处(5a-5b)，排列成如图2所示的形式，从而构成第一层叶栅的支架。图2中的每一根支架都是由三根水冷管并列组成的。具体由几根水冷管组成一根支架，可根据具体情况而定，并不受此图限制。图2中示出由三根支架形成的二个空间，供烟气及固体颗粒(19)流通及设置叶片。这里的一个关键参数是支架间距L，L的大小受炉膛(4)横截面宽度的限制，实际上还受支架的组成及叶片长度的影响。本发明所推荐的较佳L值范围是0.2米至1米。当支架采用图2所示的多根水冷管组成时，其防磨最好采用耐热混凝土包裹的方法。图3类似于图2，说明可用一根水冷管构成一根支架，此时后墙(4a)上的其它水冷管可从别处引出。用一根水冷管构成一根支架的好处是，防磨好处理，图2、图3所描述的支架，对于第一层、第二层叶栅(5)、(6)都是适用的，为描述方便，图中均未示出叶片。
参照图4和图5，对于第一层叶栅(5)，叶片(5c)可以放在支架(5d)之间(图4)，也可以放在支架(5d)的同一侧(图5)。将叶片(5c)放在支架(5d)之间的好处是，支架(5d)的受力对称，这点在叶片(5c)较宽时显得很重要。将叶片(5c)放在支架(5d)的背风侧的好处是，支架的防磨好处理，因为叶片(5c)间的烟气及固体颗粒(19)的流速较高，对材料的磨蚀严重。图6和图7是对第二层叶栅(6)而言的，分别与图4和图5相似，所不同的是，如果着重考虑支架(6a)的防磨，应将叶片(6b)置于迎风的同侧(图7)，这样，虽然流过支架(6a)的烟速很高，但因固体颗粒(19a)被叶片(6b)分离，所以支架(6a)的防磨好处理。
参照图8，对于第一层叶栅(5)叶片(5c)的倾斜角F是个重要参数，在本发明的较佳实施例中，取F＝10°～30°，叶片(5c)可以是平板，也可以采用如图9所示的带折边的平板。在本发明的较佳实施例中，叶片(5c)采用了专利91223648.5所公开的波纹形状，但不带折边。参照图10，对于第二层叶栅，叶片(6b)的倾斜角G是个重要参数，在本发明的较佳实施例中，取G＝20°～40°，叶片(6b)采用了专利ZL93214281.8所公开的形状，叶片也可以是平板。对于第一、二层叶栅(5)、(6)，叶片可用耐高温耐磨蚀的金属材料制做，为了降低成本，也可以采用高温工业陶瓷制做，在本发明的较佳实施例中，采用了专利93110354.1(处于审查期)所介绍的特殊碳化硅材料。
参照图11，叶片与支架之间通过托钩连接，托钩(5e)采用高温合金铸造，直接焊在支架(5d)、(6a)上。托钩(5e)之间是分立的，所以不影响支架的热膨胀。参照图12，它所描述的结构与图11的稍有差别，在支架(5d)、(6a)上焊简单的小钩子(5f)，而后将较长的托钩(5e)挂在小钩子(5f)上，一对托钩上可插入好几层叶片。它的好处是，托钩的更换很方便，图11与图12所描述的叶片与支架间的连接关系，适用于第一层、第二层叶栅(5)、(6)，其实质在于，叶片与支架之间不是直接地，固定地连接着，因而有效地解决了叶片与支架之间的热膨胀问题；同时，叶片的安装和更换都很方便。
需要指出的是，以上所描述的双层叶栅式高温气固分离器，不仅可用于本发明所涉及的循环流化床燃烧装置，也适用于高温、强磨蚀的气固分离。
参照图13，叶栅——旋风子由上下两层钢板(11a、11i)固定着，这两层钢板同时也起密封作用。轴向流来的烟气(19c)及所夹带的固体颗粒(19b)进入叶栅——旋风子，受钝体(11b)及导流叶片(11c)的作用，汇入由两个同轴圆筒(11d、11e)之间的环缝，同时获得切向分速度。钝体(11b)及导流叶片(11c)为一个部件，直接放在圆筒(11e)顶部，可方便地取出、更换。大圆筒(11d)安装时，从上穿过钢板(11a)，而后搁置在下层钢板(11j)上，与其它部件均无固定联接，可方便地取出、更换。小圆筒(11e)由于磨损不严重，不需频繁更换，所以可焊在下层钢板(11j)上。烟气(19c)从环缝(11f)穿过环形栅缝(11g)进入小圆筒(11e)，而后从排烟口(11h)排出，完成净化过程。固体颗粒(19b)受钝体(11b)及离心力的作用，富集到大圆筒(11d)的内壁面，而后下滑，从排灰口(11i)排出，进入灰管(12)。为了提高叶栅——旋风子的气固分离效率，从栅缝(11g)的横截面看，栅缝与切向旋流的烟气(19c)间的夹角最好在20°～30°内，栅缝(11g)可直接在圆筒(11e)上铣出，也可用叶片焊制。为了提高叶栅——旋风子的气固分离效率，同时也为了分离的固体颗粒(19b)可顺利地排出排灰口(11i)，可从排灰口(11i)中抽引一小部分烟气(19d)，这部分烟气(19d)仅占总烟气(19c)的5％以下即可。
参照图14，可以将整个气固分离器(11)倾斜设置，倾斜角H在50°—40°之间。这样设置的好处是，可取消灰管(12)，利用上下层钢板(11a、11j)之间的空间作为灰管，使叶栅——旋风子所分离出的固体颗粒直接排入上下层钢板(11a、11j)内，而后沿下层钢板(11j)下滑，排出分离器(10)。