Изобретение относится к устройству для осуществления экзотермической или эндотермической реакции в емкости (называемой далее "реактором") между, по меньшей мере, одним газом и, по меньшей мере, одним твердым размельченным материалом, содержащему, по меньшей мере, одно средство введения твердого размельченного материала, по меньшей мере, одно средство введения газа ожижения и реакции, причем соответствующие расходы вводимых твердого разделенного материала и газа ожижения таковы, что они позволяют быстро установить восходящую циркуляцию газа и твердого измельченного материала в зонах ожиженного слоя и быстрой циркуляцией, средства для подачи смеси реагирующего газа и твердого размельченного материала, поступающего в верхнюю часть реактора, в орган сепарации, средства для эвакуации газа, произведенного реакцией, и средства для рециклирования твердого размельченного материала, поступающего от органа сепарации в нижнюю часть реактора.
Известные подобные технологии для осуществления химических реакций в ожиженном слое принадлежит, в основном, к двум группам.
Первая группа известных технологий использует плотный ожиженный слой, отличается существованием двух различных зон с точки зрения концентрации размельченного твердого вещества в емкости реагирования, причем эта концентрация твердого размельченного вещества повышена в первой зоне, например, 1000 кг/м3 для ожиженного слоя топлива, и значительно меньше, менее 1 кг/м3, во второй зоне над первой, отделенной от нее сравнительно хорошо определенной поверхностью. Разница скоростей между газами и твердыми частицами незначительна. В случае реакторов сгорания КПД сгорания является невысоким, например, 85-95% а степень выбросов окислов серы и окислов азота значительна, что ограничивает этот способ установками малой мощности.
Известен реактор сгорания в плотном ожиженном слое с кольцевой перегородкой, нижний край которой отнесен от решетки ожижения в центральную область сгорания в ожиженный слой, а кольцевая область в плотный слой с нисходящей циркуляцией твердых частиц, с единственной целью обеспечить обмен тепла с рубашкой, окружающей реактор. Часть твердых частиц из центральной области в ожиженном слое переливается над кольцевой перегородкой и опускается в кольцевую область в плотный слой, затем возвращается в центральную зону сгорания под нижний край кольцевой перегородки. Этот тип устройства имеет указанные ранее недостатки реакторов с плотным ожиженным слоем, существующие принципиально в зоне реагирования с очень малой концентрацией твердого вещества над плотным слоем. С другой стороны, он обеспечивает рециркуляцию твердого вещества, отобранного исключительно в верхней части плотной ожиженной зоны точно так же, как в циклоне, который располагается на выходе из ожиженного слоя, циркулирующего так, как это будет далее описано [1]
Вторая группа известных технологий использует ожиженный слой, называемый "циркулирующим", отличается от первой группы, в частности, отсутствием поверхности раздела между двумя зонами и наличием однородных температур реакции в комплексе реактора. Концентрация размельченного твердого материала меняется непрерывно в комплексе реактора снизу вверх, а разница между скоростями газа и твердых частиц намного больше. Для реакторов сгорания КПД сгорания наилучший, а степени выбросов окислов серы и окислов азота наименьшие [2]
Эта технология может применяться в установках повышенной мощности, но и она имеет недостатки.
Можно констатировать, в частности, их наличие в случае реакции сгорания. Реактор с циркулирующим ожиженным слоем может быть описан следующим образом.
Верхняя зона, наиболее значительная по объему, с переменой концентрацией, ограниченная, но достаточная для твердых частиц. В этой верхней зоне выполняется обмен тепла обычно с трубками в свободном пространстве реактора или со стенками с закрепленными на них трубками, в которых проходит жидкость охлаждения реактора. Концентрация твердых веществ меняется, например, снизу вверх в этой зоне от 50 до 10 кг/м3, причем эти цифры иногда могут быть меньше. Практически они соответствуют реализации теплообмена с трубками, закрепленными на стенках. Скорость газов при полной нагрузке обычно ограничена значениями равными 4-6 м/с для предотвращения риска эрозии.
Нижняя зона с намного большей концентрацией твердых веществ, меняющейся, например, снизу вверх от 50 до 500 кг/м3, т.е. в соотношении 10, которое может доходить даже до 20, если реактор работает на половинной нагрузке, т. е. с вдвое меньшей скоростью газа ожижения. Эта нижняя зона действительно является зоной сгорания; одна часть газа, необходимая для сгорания, называемая, обычно, первичным газом, наддувается туда через решетку ожижения, расположенную в нижней части реактора. Большая часть оставшегося газа сгорания, называется вторичным газом, инжектируется на нескольких уровнях над этой решеткой, причем использование этих уровней может меняться с изменением нагрузки реактора (выключение некоторых уровней в случае частичной нагрузки).
Скорость газа сгорания в этой нижней зоне реактора зависит от изменения сечения и ступенчатого подвода вторичного газа, причем необходимая скорость практически та же, что и в верхней зоне. Это лежит в основе большого изменения концентраций в зоне сгорания, что приводит к следующим недостаткам:
неполное сгорание содержания несгоревших остатков и окиси углерода могут быть повышенными на выходе реактора для некоторых трудно сгораемых топлив;
коэффициент десульфурации может быть недостаточным, приводящим к необходимости введения значительных количеств десульфирующего агента;
ограничение гибкости отклика на изменение нагрузки реактора, обусловленное необходимостью сохранять минимальную скорость газов для поддержания режима удовлетворительного ожижения, причем эта скорость порядка 3 м/с.
Для улучшения однородности температуры и сгорания часто увеличивают количество твердых материалов, присутствующих в реакторе, что приводит к росту расхода энергии для приведения их в состояние ожижения.
Для устранения этих недостатков часто применяют введение вторичного газа на различных уровнях и изменяют отношение расходов первичного и вторичного газов в зависимости от нагрузки реактора. Но применять это можно лишь в ограниченных пределах, поскольку вмешиваются другие критерии, которые препятствуют изменениям количества топлива, которое требует удержания расхода первичного газа выше минимального значения, необходимости поддержания восстанавливающей атмосферы в нижней части нижней зоны реактора для сведения к минимуму производства окислов азота, необходимости увеличения избытка газа, необходимого для сгорания, если нагрузка реактора падает, для предотвращения слишком большого роста гетерогенности концентрации твердых веществ, пытаясь максимально ограничить при этом производство окислов азота и не снижать значительно тепловой КПД установки.
Большое изменение концентраций в нижней зоне, образующей зону сгорания, является неприятным и нужно стремиться к большей однородности концентраций между различными уровнями, что улучшило бы не только КПД сгорания, но и снизило бы расход энергии, необходимой для ожижения.
Таким образом, циркулирующий ожиженный слой не может отвечать этим требованиям из-за того, что скорость газа ожижения в зоне сгорания связана со скоростью, которая была выбрана в верхней зоне, где выполняется теплообмен, а твердые частицы движутся вниз и вверх (фиг. 1) и большое количество твердых частиц с малой гранулометрией никогда не опускается повторно вблизи решетки ожижения, что производит гранулометрическое расслоение по высоте реактора и приводит к работе в нижней зоне с частицами повышенной гранулометрии. Так на первом метре высоты над решеткой ожижения концентрация близка к концентрации плотного слоя, что дорого с энергетической точки зрения и бесполезно для хорошего сгорания.
В рамках этой же технологии другие известные решения дают некоторые улучшения работы циркулирующего ожиженного слоя.
Известно устройство, предусматривающее установку плотного ожиженного слоя для улавливания материалов на выходе циркулирующего ожиженного слоя, причем уловленные таким образом материалы уменьшают количество материалов, уловленных в классическом циклоне, расположенном на выходе камеры расширения. Формируют зону освобождения, расположенную над плотным слоем.
Плотный ожиженный слой располагается на выходе циркулирующего ожиженного слоя либо сбоку от него, либо непосредственно над ним.
Циклон располагается за камерой расширения. Во всех случаях материал, отбираемый плотным ожиженным слоем, приводит к уменьшению материала, собираемого в циклоне и не меняет максимальное количество материалов, рециркулированных в циркулирующем ожиженном слое [3]
Цель изобретения создать устройство осуществления реакции в емкости между газом и разделенным твердым материалом, имеющим новую структуру ожиженного слоя дающую большую однородность концентраций твердых частиц в нижней части с умеренной концентрацией твердых частиц в этой зоне, которая образует, в случае необходимости, зону сгорания, и со сравнительно большой скоростью газа ожижения в этой нижней зоне.
В предлагаемом устройстве реактор разделен на три зоны:
нижняя зона с ожиженным слоем с быстрой циркуляцией со средней скоростью опускания газа ожижения с пустой колонкой и с полной нагрузкой равной 4,8-12 м/с, причем высота этой зоны такова, что время пребывания газа в нижней зоне при полной нагрузке составляет 0,25-4 с;
верхняя зона сечения S2 c ожиженным слоем и быстрой циркуляцией имеет скорость опускания У газа ожижения с пустой колонной и полной нагрузкой равной 4-10 м/с, причем отношение этой скорости и скорости газа ожижения в нижней зоне составляет 1/2 и 1/1,2, а высота этой зоны такова, что время пребывания газа ожижения в этой зоне составляет 2-10 с при полной нагрузке, а концентрация Р в вершине верхней зоны реактора, по меньшей мере, равна 2 кг/м3;
зона с плотным ожиженным слоем со скоростью опускания газа ожижения при пустой колонне и полной нагрузке равной 0,3-2,5 м/с, примыкающая к верхней части нижней зоны с ожиженным слоем и быстрой циркуляцией, отделенной перегородкой от нее, расположенной таким образом, чтобы принять одновременно вновь опускающиеся разделенные твердые материалы верхней зоны вдоль, по меньшей мере, одной из своих стенок, и твердые материалы, поступающие от верхней части, примыкающей к нижней зоне.
Устройство также имеет, по меньшей мере, одно средство повторной инжекции твердого разделенного материала от зоны с плотным ожиженным слоем к нижней части нижней зоны с ожиженным слоем с быстрой циркуляцией, причем расход повторного инжектирования разделенного твердого материала от зоны с плотным ожиженным слоем больше на количество, равное q=РxVxS2.
В таком устройстве профиль давлений вдоль высоты зон с циркулирующим ожиженным слоем (верхняя зона и нижняя зона) такой, как это показано на схеме фиг. 7. Концентрация твердого материала, который выводится из наклона в любой точке этого профиля, имеет прерывистую область с обеих сторон слива плотного ожиженного слоя, что является отличием этого устройства.
Благодаря такой конструкции, получают более однородное распределение температуры в реакторе с уменьшением рисков агломерации твердых частиц, в случае реактора сгорания улучшение сгорания уменьшением образования окиси углерода и несгоревших твердых частиц, особенно для трудно сгораемых топлив, например, тощие угли и антрациты, улучшение гибкости реактора понижением его минимально допустимой нагрузки, причем это делается возможным благодаря повышенному соотношению скорости газа при полной нагрузке в нижней зоне и минимально необходимой скорости для поддержания режима удовлетворительного ожижения.
Изобретение распространяется, кроме того, на применение определенного выше устройства для сгорания углеродосодержащих материалов.
На фиг. 1 представлена схема течения твердого измельченного материала в реакторе известного типа с циркулирующим ожиженным слоем; на фиг. 2 предлагаемое устройство с циркулирующим ожиженным слоем и промежуточным плотным ожиженным слоем; на фиг. 3 вертикальное сечение под прямым углом нижней зоны реактора с двумя боковыми плотными ожиженными слоями; на фиг. 4 сечение А-А на фиг. 3; на фиг. 5 вертикальное сечение под прямым углом нижней зоной реактора с тремя плотными ожиженными слоями; на фиг. 6 сечение Б-Б на фиг. 5; на фиг. 7 вертикальное сечение под прямым углом нижней зоны реактора с четырьмя плотными ожиженными слоями; на фиг. 8 сечение В-В фиг. 8; на фиг. 9 устройство поверхностного теплообмена в двух плотных ожиженных слоях реактора; на фиг. 10 и 11 варианты одного сечения Г-Г на фиг. 9; на фиг. 12 профиль давлений в предлагаемом устройстве.
Соответствующий классической работе циркулирующего слоя реактор 1 (фиг. 1) имеет нижнюю зону 2 возрастающего сечения и верхнюю зону в форме параллелепипеда 3. Твердые частицы поднимаются над решеткой ожижения 4 в верхнюю часть реактора по стрелке 5. Эти частицы стремятся отклониться к стенкам и упасть вниз. Однако часть частиц, наиболее мелких, вновь увлекается вверх, в соответствии с вихревыми движениями 6. Другие частицы приближаются к стенке и стекают вдоль нее вниз по стрелкам 7.
В предлагаемом устройстве (фиг. 2) в нижней зоне 2 возрастающего сечения образован ожиженный слой с быстрой циркуляцией над решеткой ожижения 4. Через эту решетку инжектируется первичный газ ожижения, образованный воздухом с добавлением, в случае необходимости, дымов сгорания или кислорода, поступающего по каналу 8. Пылеобразное топливо, например уголь, взвешенный в воздухе, вводится как раз над этой решеткой. Вторичный газ, образованный также воздухом с или без дымов сгорания или кислородом, инжектируется в нижней зоне реактора с тремя последовательными уровнями через каналы 10, 11 и 12. Скорость газа ожижения в пустой колонне и с полной нагрузкой может меняться от 4,8 до 12 м/с причем время пребывания газов при полной нагрузке может меняться от 0,25 до 4 с.
Подвод вторичных газов происходит так, чтобы атмосфера была восстанавливающей в нижней части нижней зоны 2.
Над этой нижней зоной устанавливается второй ожиженный слой с быстрой циркуляцией, причем скорость газов ожижения в пустой колонне и при полной нагрузке может меняться от 4 до 10 м/с, а время их пребывания составляет 2-10 с.
Известным образом дымы, загруженные частицами, эвакуируемые в верхнюю часть реактора, проходят в циклон сепарации 9,откуда дымы, освобожденные от пыли, эвакуируются через канал 13, а отсепарированные твердые частицы рециркулируются в нижнюю часть реактора через канал 10.
Кроме того, на выходе из зоны сгорания конечного прямого сечения S1 был образован плотный ожиженный слой 14, показанный штриховкой, отделенный от зоны сгорания перегородкой 15 и расположенный над решеткой ожижения 16, через которую инжектируется вспомогательный газ ожижения, подводимый по каналу 17. Скорость этого газа в пустой колонне и при полной нагрузке в плотном слое может составлять 0,3-2,5 м/с. В большинстве случаев остаточное сгорание, в случае необходимости, в плотном слое является слабым вследствие того, что он располагается на выходе из зоны сгорания слоя с быстрой циркуляцией, и что остаточное содержание углерода в частицах уже весьма мало. В случае, когда сгорание в плотном ожиженном слое оказывается значительным, вследствие того, что горючее плохого качества, например, можно было бы вводить дымы сгорания в инжекционные форсунки под решеткой этого плотного слоя для того, чтобы минимизировать содержание кислорода в слое, либо наоборот, увеличить содержание кислорода в этой зоне для улучшения там сгорания, что может повлечь за собой присутствие трубчатых теплообменников в этом слое.
По изобретению такой плотный слой имеет предпочтительно сравнительно малую высоту, обычно менее 1,5 м. Но эта высота может быть увеличена, если хотят установить там теплообменник, до приблизительно 3-4 м.
Основной функцией этого плотного ожиженного слоя является улавливание части твердых частиц, которые опускаются из зоны теплообмена, расположенной над плотным ожиженным слоем (стрелки 7), а также части твердых частиц, которые поднимаются из нижней зоны реактора, расположенной под уровнем этого плотного ожиженного слоя (стрелки 18). Это улавливание частиц, поступающих от нижней зоны, оубсловлено уменьшением скорости газов с момента, когда они входят в верхнюю зону реактора. Однако нужно отметить, что нигде в реакторе, кроме как в плотных ожиженных слоях, и в отличие от других способов, скорость газов не опускается меньше значения, соответствующего работе циркулирующего ожиженного слоя.
Твердые частицы, уловленные плотным ожиженным слоем, направляются по каналам 19 до основания реактора, как раз над решеткой 4. Эти каналы могут иметь сифон, запитываемый у основания газом ожижения. Таким образом, большое число твердых частиц с малой гранулометрией возвращается к основанию реактора, куда они не будут никогда опущены в известных устройствах. Поэтому концентрация твердых частиц такого типа в зоне сгорания реактора сильно увеличивается, особенно в верхней области, близкой к уровню плотного слоя. С другой стороны из-за изменения сечения, которое вытекает из присутствия плотного слоя, скорость газа в нижней зоне 2 реактора превышает скорость, существующую в верхней зоне 3 над уровнем плотного слоя.
Увеличением этой скорости получают, естественно, наилучшую гомогенизацию концентрации твердых материалов в нижней зоне реактора, причем это обеспечивает наилучшее сгорание. Требуемое значение скорости газов в зоне сгорания может быть получено выбором прямых сечений S1 и S2, причем S1 есть прямое сечение зоны сгорания на уровне плотного ожиженного слоя, а S2 прямое сечение верхней зоны реактора, причем прямое сечение плотного ожиженного слоя равно S2-S1. Расход твердых материалов рециркуляции в каналах 19 зависит также от этого соотношения прямых сечений, поскольку, чем больше скорость в зоне сгорания, тем больше расход твердых частиц на выходе из этой зоны, и поскольку количество твердых материалов, опускающихся к основанию зоны, расположенной над плотным слоем, зависит практически от прямого сечения S2, будет большим расход твердых материалов, уловленных плотным ожиженным слоем.
Выбор прямого сечения плотного слоя 14 (S2-S1) является, следовательно, важным элементом в образмеривании реактора предлагаемого устройства. Увеличение скорости газов и концентрации твердых материалов в зоне сгорания определяют большую часть улучшений однородности концентраций, которая получена в зоне сгорания по отношению к концентрациям в известном ожиженном слое.
Практически будут получены превосходные результаты в случае устройств сгорания пылеобразного угля выбором отношения сечений S2/S1.
Нижняя часть реактора (фиг. 3 и 4) снабжена двумя плотными слоями 14 ожижения на промежуточном уровне, которые связаны каналами рециркуляции 19 с основанием зоны сгорания, над решеткой ожижения 4. В качестве примера схематично показан канал повторной инжекции размельченных твердых веществ, имеющий сифон, запитываемый у основания газом ожижения. Таким образом можно более просто получить повышенное соотношение S2/S1, причем разница (S2-S1) равна сумме прямых сечений двух плотных ожиженных слоев. Реактор не имеет плотных ожиженных слоев около своих боковых поверхностей 20, 21, перпендикулярных первым, в плоскости сечения, перпендикулярного сечению А-А фиг. 3.
Нижняя часть реактора (фиг. 5 и 6) снабжена тремя плотными ожиженными слоями 14 два под стенками 22 и 23 (фиг. 5) и один под стенкой 24, перпендикулярной первым в плоскости сечения, перпендикулярной плоскости Б-Б фиг. 5.
Нижняя часть реактора (фиг. 7 и 8) снабжена четырьмя плотными ожиженными слоями 14 два под стенками 22 и 23 и два под перпендикулярными стенками 24 и 25.
Фиг. 9 схематично показывает поверхности теплообмена в плотном ожиженном слое. Трубки теплообмена, показанные серпантинами, располагаются почти по всей высоте плотных ожиженных слоев.
Фиг. 10 представляет собой вариант устройства теплообменников в плотных ожиженных слоях (фиг. 9), которые видны в сечении Г-Г фиг. 9, так что теплообменники занимают большую часть длины плотных ожиженных слоев.
На фиг. 11 дан второй вариант устройства теплообменников в плотных ожиженных слоях на фиг. 9. В этом варианте два плотных ожиженных слоя разделяются каждый на три секции. Эти крайние секции 26, 28 и 27, 29 занимают теплообменники, а центральные секции 30 и 31 свободны от теплообменных труб.
Все секции 26, 27, 28, 29, 30 и 31 связаны средствами повторной инжекции в нижней части реактора, причем каждая секция имеет свое средство повторной инжекции. Средства повторной инжекции секций 30 и 31 не снабжены средствами контроля расхода.
Комплекс плотных ожиженных слоев (фиг. 3-8) работает на максимальной нагрузке реактора и принимает участие в его охлаждении. На промежуточных нагрузках возможно управлять охлаждением, применяя различные средства (останов или модуляция ожижения, управление расходом твердых частиц, повторно инжектируемых в нижнюю часть нижней зоны) с тем, чтобы поддерживать в реакторе оптимальную температуру, близкую к 850оС, обеспечивая наилучший КПД десульфурации. Действительно, если нагрузка реактора падает, температура в реакторе уменьшается вследствие наличия слишком большой поверхности охлаждения. Модуляция или устранение теплообмена в части секций плотных слоев позволяет уменьшить охлаждение реактора и сохранить оптимальную температуру сгорания в большем диапазоне нагрузок реактора и удержать степень десульфуризации на повышенном уровне.
Фиг. 2 показывает, что под воздействием двух факторов, рециклирования твердых материалов у основания реактора и повышения скорости в нижней зоне, где имеет место сгорание, предлагаемое устройство позволяет обеспечить разъединение (которого нет в реакторах известного типа с циркуляцией ожиженного слоя) между верхней зоной, стенки которой сформированы трубками теплообмена, где делают выбор оптимальной скорости газа для получения хорошего теплообмена без эрозии трубок теплообмена, и нижней зоной сгорания, где выбирают большую скорость газа и где обеспечивают более однородную концентрацию твердого материала, чем в известных ожиженных слоях с циркуляцией. Если, например, требуется скорость 6 м/с в верхней зоне реактора, можно работать со скоростью равной 7,2-12 м/с в его нижней зоне.
Хотя устройства осуществления реакции между газом и размельченным твердым материалом относятся к устройствам сгорания содержащих углерод материалов с охлаждением реактора стенками верхней зоны, образованными или выстеленными теплообменными трубками, изобретение применимо не только к сгоранию, но и к другим экзотермическим реакциям, и даже эндотермическим реакциям таким, как, например, обжиг окиси алюминия, когда хотят улучшить однородность концентраций в нижней зоне реактора и работать в этой зоне с повышенными скоростями, которые не подходят для верхней зоны. В случае эндотермических реакций верхняя зона лишена трубок теплообмена в непосредственном контакте с материалами.
Изобретение относится к устройству для осуществления экзотермической или эндотермической реакции в реакторе и может использоваться для топок. Сущность изобретения: устройство состоит из реактора, содержащего нижнюю зону с ожиженным слоем с быстрой циркуляцией, зону с плотным ожиженным слоем, примыкающую к верхней части нижней зоны, с сепарацией через перегородку, причем этот слой принимает твердые материалы, падающие на верхний слой, а нижний слой отправляет эти материалы в нижнюю зону, и верхнюю зону с ожиженным слоем с быстрой циркуляцией. 2 с. и 7 з. п. ф-лы, 12 ил.
q Px Vx S2,
где Px концентрация твердых частиц;
Vx скорость подачи ожижающего газа;
S2 сечение верхней зоны.
| Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
| БИБЛИОТЕКА I•«••шипи» . •.я^...^ I „.д...-..-.-:.4Ci4C^«t<ffXa» | 0 |
|
SU332360A1 |
| Прибор для равномерного смешения зерна и одновременного отбирания нескольких одинаковых по объему проб | 1921 |
|
SU23A1 |
