PL B1. THE BABCOCK & WILCOX COMPANY, Barberton,US ,US,09/464,258

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. F27B 15/08 ( ) F23C 10/02 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Urządzenie pracujące z krążącym złożem fluidalnym (30) Pierwszeństwo: ,US,09/464,258 (73) Uprawniony z patentu: THE BABCOCK & WILCOX COMPANY, Barberton,US (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 13/01 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 06/08 (72) Twórca(y) wynalazku: Gary L. Anderson,Duncansville,US Mikhail Maryamchik,Copley,US Donald L. Wietzke,Copley,US (74) Pełnomocnik: Plewa Elżbieta, PATPOL Sp. z o.o. PL B1 (57) 1. Urządzenie pracujące z krążącym złożem fluidalnym, posiadające reaktor, co najmniej jeden separator cząstek stałych umieszczony za reaktorem, pętlę recyrkulacyjną cząstek stałych oraz lej gromadzący cząstki stałe przyłączony do, co najmniej jednego separatora cząstek stałych i do pętli recyrkulacyjnej cząstek stałych, znamienny tym, że zawiera ponadto co najmniej jeden przewód (150) łączący dolną część leja (160) gromadzącego cząstki stałe, z reaktorem (120), przy czym przyłączenie tego przewodu (150) do leja (160) gromadzącego cząstki stałe jest usytuowane ponad przyłączeniem pętli recyrkulacyjnej cząstek stałych (175) do leja (160) gromadzącego cząstki stałe, oraz zawiera urządzenie wymuszające recyrkulację gazu (170), przenoszące najdrobniejsze cząstki reagentu z dolnej części leja (160) gromadzącego cząstki stałe do reaktora (120).

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest urządzenie pracujące z krążącym złożem fluidalnym. Wynalazek dotyczy reaktorów z krążącym złożem fluidalnym CFB (Circulating Fluidized Bed), komór spalania lub kotłów tego typu, a zwłaszcza prostego układu umożliwiającego recykling najdrobniejszych cząstek, które w przeciwnym razie mogłyby wydostać się ze strumieniem gazu wychodzącego z separatora stosowanego w połączeniu z reaktorami CFB, komorami spalania lub kotłami CFB. Wynalazek umożliwia, zatem, zaawansowaną utylizację reagentów w sprzęcie CFB. Koniecznym warunkiem skutecznej utylizacji reagentów w reaktorze CFB, komorze spalania lub kotle, takiej jak spalanie paliwa i/lub zasiarczanie sorbentu w kotle CFB, jest krążenie cząstek reagentu w urządzeniu, zapewniające wystarczający czas przebywania do zakończenia reakcji. Jest to uzyskiwane przez oddzielanie cząstek stałych od gazów opuszczających reaktor i recykling tych cząstek stałych z powrotem do urządzenia. Układy zawracania do obiegu cząstek stałych mogą być jednostopniowe lub wielostopniowe. W przypadku kotła CFB, jak pokazano na pos. I, układ jednostopniowy zawiera zwykle separator cyklonowy 10 umieszczony za piecem 20 (za - w stosunku do przepływu gazów) oraz pętlę recyrkulacji cząstek stałych, zawierającą kolumnę 30 dołączoną do dolnej części 35 separatora cyklonowego 10 i nie mechaniczne urządzenie 40 uszczelniające powrotne przejście gazu przez separator cyklonowy. Nie mechanicznym urządzeniem 40 może być zawór syfonowy. Układ dwustopniowy może zawierać dwa separatory cyklonowe połączone szeregowo (niepokazane na rysunku), z których każdy ma swoją własną pętlę recyrkulacyjną, lub też separator cząstek 11 typu uderzeniowego, jak pokazano na pos. II. Separator cząstek 11 typu uderzeniowego stanowi zwykle układ belek w kształcie litery U lub podobnie ukształtowanych elementów umieszczonych przy wyjściu pieca 21. Pomocnicze urządzenie 31 do gromadzenia cząstek jest usytuowane za separatorem cząstek 11 typu uderzeniowego (za - w stosunku do przepływu gazów i cząstek przechwyconych przez reaktor CFB). Zwykłe pomocnicze urządzenie 31 do gromadzenia cząstek stanowi mechaniczny kolektor pyłu, taki jak cyklon bateryjny lub kolektor pyłu cyklonu bateryjnego MDC (Multicyclone Dust Collector). W układzie tego rodzaju duża ilość cząstek stałych opuszczających piec 20 jest gromadzona i zawracana do obiegu przez podstawowy separator cząstek 11 typu uderzeniowego pierwszego stopnia, podczas gdy drugi stopień gromadzi i zawraca większość drobnych cząstek przechodzących przez podstawowy separator cząstek 11 z powrotem do pieca 20. Proces CFB przynosi korzystne skutki, jeżeli przytoczone powyżej urządzenia do oddzielania/gromadzenia cząstek są bardziej wydajne w gromadzeniu drobnych cząstek z gazów spalinowych. W efekcie mniej drobnych cząstek jest zawracanych do obiegu przed opuszczeniem urządzenia CFB, a zatem jest mniej czasu na reakcję cząstek. Chociaż drobne cząstki potrzebują mniejszego czasu reakcji, to jednak większość nieprzereagowanego materiału wychodzącego z układu, takiego jak niespalony węgiel i niezasiarczony sorbent w kotłach CFB, jest zagęszczony w najdrobniejszych cząstkach. Te drobne cząstki zwykle mają średnicę poniżej 50x10-6 m do 70x10-6 m. Drobne cząstki o tej wielkości są zwykle gromadzone w stacji filtrów workowych lub w odpylaczu elektrostatycznym. W opisie patentowym US (Alexander i in.) został ujawniony sposób recyklingu, w którym zawraca się do obiegu drobne cząstki zgromadzone w stacji filtrów workowych lub w odpylaczu elektrostatycznym z powrotem do reaktora. Jednakże sposób ten wymaga zainstalowania złożonego układu recyklingu cząstek stałych. Znaczące udoskonalenie gromadzenia drobnych cząstek w separatorze albo dowolnym innym znanym urządzeniu oddzielającym typu bezwładnościowego, wykorzystującym wzrost zawirowań i prędkość wylotową gazu, będzie powodowało niedopuszczalnie wysoki spadek ciśnienia i wzrost zużywania się części. Alternatywnie, można zastosować mechaniczny kolektor pyłu dla zwiększenia gromadzenia drobnych cząstek, jak to podano w publikacji rosyjskiej Aerodynamiczne obliczanie urządzeń kotłowych (sposób standardowy)", wydanej przez S.I. Mochan, 3-cia edycja, Leningrad, Energia", Jak podano na stronie 87 tej publikacji, gaz jest odciągany z leja popiołowego mechanicznego kolektora pyłu i zawracany z powrotem do wlotu mechanicznego kolektora pyłu, za pomocą specjalnego wentylatora. Strumień zawracanego gazu zostaje oczyszczany z popiołu za pomocą separatorów o dużej wydajności, umieszczonych w pętli powrotnej.

3 PL B1 3 Przepływ gazu odciąganego z separatora w tym samym kierunku, co gromadzone cząstki stałe przechwytuje niektóre najdrobniejsze cząstki, które w przeciwnym wypadku byłyby przenoszone wraz z przepływem gazu opuszczającym separator, tym samym poprawiając skuteczność gromadzenia takich cząstek. Sposób ten nie powoduje wzrostu prędkości gazu w rurach wylotowych elementów gromadzących, co zwykle przyczynia się do spadku ciśnienia w tych elementach i potencjalnie do erozji. Celem wynalazku jest udoskonalenie wykorzystania reagentów w reaktorze CFB za pomocą prostego, nie kosztownego sposobu i urządzenia. Wynalazek wykorzystuje podobny pomysły jak opisany bezpośrednio powyżej nie tylko w kontekście urządzenia reaktora CFB, ale także przez prostsze rozmieszczenie pozwalające na obniżenie kosztów podstawowych i kosztów eksploatacji. Urządzenie pracujące z krążącym złożem fluidalnym, posiadające reaktor, co najmniej jeden separator cząstek stałych umieszczony za reaktorem, pętlę recyrkulacyjną cząstek stałych oraz lej gromadzący cząstki stałe dołączony, do co najmniej jednego, separatora cząstek stałych i do pętli recyrkulacyjnej cząstek stałych, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera ponadto, co najmniej jeden przewód łączący dolną część leja gromadzącego cząstki stałe, z reaktorem, przy czym przyłączenie tego przewodu do leja gromadzącego cząstki stałe jest usytuowane ponad przyłączeniem pętli recyrkulacyjnej cząstek stałych do leja gromadzącego cząstki stałe, oraz zawiera urządzenie wymuszające recyrkulację gazu, przenoszące najdrobniejsze cząstki reagenta z dolnej części leja gromadzącego cząstki stałe do reaktora. Korzystnie, co najmniej jeden przewód łączący reaktor z lejem gromadzącym cząstki stałe ma zakończenie przy obudowie tego leja. Korzystnie, znajdujący się przy leju koniec, co najmniej jednego, przewodu zawiera płytkę wystającą w dół do wnętrza obudowy leja, ponad miejscem przyłączenia tego przewodu do leja. Korzystnie, co najmniej jeden przewód przechodzi przez obudowę do wnętrza leja gromadzącego cząstki stałe. Korzystnie, znajdujące się we wnętrzu leja gromadzącego cząstki stałe zakończenie, co najmniej jednego, przewodu jest proste. Korzystnie, znajdujące się we wnętrzu leja gromadzącego cząstki stałe zakończenie, co najmniej jednego, przewodu jest wygięte w dół. Urządzenie pracujące z krążącym złożem fluidalnym, posiadające reaktor, co najmniej jeden wielo-cyklonowy separator cząstek stałych umieszczony za reaktorem, pętlę recyrkulacyjną cząstek stałych oraz lej gromadzący cząstki stałe, przyłączony, do co najmniej jednego, wielo-cyklonowego separatora cząstek stałych i do pętli recyrkulacyjnej cząstek stałych, według drugiego wariantu wynalazku, charakteryzuje się tym, że zawiera ponadto, co najmniej jeden, przewód łączący dolną część leja gromadzącego cząstki stałe, z reaktorem, przy czym przyłączenie tego przewodu do leja gromadzącego cząstki stałe jest usytuowane ponad przyłączeniem pętli recyrkulacyjnej cząstek stałych do leja gromadzącego cząstki stałe, oraz zawiera urządzenie wymuszające recyrkulację gazu, przenoszące najdrobniejsze cząstki reagenta z dolnej części leja gromadzącego cząstki stałe do reaktora. Korzystnie, co najmniej jeden przewód łączący reaktor z lejem ma zakończenie przy obudowie tego leja. Korzystnie, znajdujący się przy leju koniec, co najmniej jednego, przewodu zawiera płytkę wystającą w dół do wnętrza obudowy leja ponad miejscem przyłączenia tego przewodu do leja. Korzystnie, co najmniej jeden przewód przechodzi przez obudowę do wnętrza leja gromadzącego cząstki stałe. Korzystnie, znajdujące się we wnętrzu leja gromadzącego cząstki stałe zakończenie, co najmniej jednego, przewodu jest proste. Korzystnie, znajdujące się we wnętrzu leja gromadzącego cząstki stałe zakończenie, co najmniej jednego przewodu jest wygięte w dół. Zaletą rozwiązania według wynalazku jest to, że ma ono wzmożoną cyrkulację najdrobniejszych cząstek reagentu. Udoskonalona cyrkulacja jest uzyskana przez zawrócenie gazu, w którym znajdują się przechwycone drobne cząstki z leja gromadzącego cząstki stałe, przyłączonego do separatora cząstek stałych z powrotem do reaktora. Układ jednego lub więcej przewodów łączy górną część leja gromadzącego cząstki stałe z reaktorem. Układ przewodów jest wyposażony w elementy do powodowania zawracania gazu z leja do reaktora. Wynalazek zapewnia otrzymanie nie kosztownego układu, który umożliwia recykling najdrobniejszych cząstek, które w innym przypadku byłyby przenoszone wraz z przepływem gazu wychodzącego z separatora.

4 4 PL B1 Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym pos. I przedstawia konwencjonalny kocioł CFB, w uproszczonym przekroju; pos. II - drugi konwencjonalny kocioł CFB, w uproszczonym przekroju; fig. 1 - kocioł CFB według wynalazku, w uproszczonym przekroju; fig. 2 - drugi przykład wykonania kotła CFB według wynalazku, w uproszczonym przekroju; fig. 3 - lej gromadzący cząstki stałe według wynalazku, w uproszczonym przekroju; fig. 4 - drugi przykład wykonania leja gromadzącego cząstki stałe według wynalazku, w uproszczonym przekroju; fig. 5 - jeszcze inny przykład wykonania leja gromadzącego cząstki stałe według wynalazku, w uproszczonym przekroju; fig. 6 - kolejny przykład wykonania leja gromadzącego cząstki stałe według wynalazku, w uproszczonym przekroju, zaś fig. 7 - jeszcze jeden przykład wykonania leja gromadzącego cząstki stałe według wynalazku, w uproszczonym przekroju. Stosowane tu określenie - komora spalania CFB - dotyczy takiego rodzaju reaktora CFB, w którym następuje proces spalania. Jakkolwiek wynalazek jest skierowany w szczególności na kotły lub generatory pary wodnej, które wykorzystują komory spalania CFB jako środki, dzięki którym jest wytwarzane ciepło, to jednak należy zauważyć, że wynalazek może być równie dobrze zastosowany w innym rodzaju reaktora CFB. Przykładowo, wynalazek może być zastosowany w reaktorze, który jest wykorzystany do reakcji chemicznych innych niż proces spalania lub gdzie mieszanina gaz/cząstki stałe z procesu spalania, występującego gdziekolwiek, jest dostarczana do reaktora w celu dalszej obróbki, lub gdzie reaktor jedynie zapewnia obudowę, w której cząstki lub ciała stała są zawieszone w gazie, który nie musi stanowić produktu ubocznego procesu spalania. W odniesieniu do rysunków, na których podobne oznaczenia liczbowe są zastosowane do tych samych lub funkcjonalnie podobnych elementów, na fig. 1 przedstawiono urządzenie CFB z jednostopniowym układem recyklingu cząstek stałych, podobne do urządzenia pokazanego w znanym układzie z pos. 1. Udoskonalenie, według wynalazku, dotyczy przewodu 150 łączącego cyklonowy lej 160 z dolnym końcem pieca 120. Urządzenie 170 do powodowania recyklingu gazu (fig. 2) z leja 160 do pieca 120 jest utworzone jako część przewodu 150. Urządzenie 170 może mieć postać wentylatora wyrzutnika lub podobnego urządzenia. Jednostopniowy układ z fig. 1 zawiera cyklon 100 umieszczony za piecem 120 (za - w stosunku do przepływu gazów) i pętlę recyrkulacji cząstek stałych 175, zawierającą kolumnę 130 i urządzenie nie mechaniczne 140 uszczelniające powrotne przejście gazu przez separator. Przykładowo, urządzenie nie mechaniczne 140 może stanowić zawór syfonowy. Na fig. 2 pokazano układ dwustopniowy przedstawiony na pos. II, z zastosowanym rozwiązaniem według wynalazku. Pokazany na fig. 2 przewód 150 posiada urządzenie do recyklingu 170 włączone szeregowo pomiędzy lej 160 i piec 120. Przewód 150 jest przyłączony poprzez ścianę leja 160 w miejscu pomocniczego urządzenia gromadzącego 131, które jest przedstawione jako cyklon bateryjny (multicyklon). Urządzenie do recyklingu 170 zastosowane w tym rozwiązaniu może zawierać wentylator, ejektor lub im podobne. Przewodem 150 może być rura o średnicy 20,3 cm do 61 cm (w zależności od pojemności urządzenia). Zastosowanie zanieczyszczonego" wentylatora jako urządzenia do recyklingu umożliwia zmniejszenie poboru mocy dodatkowej, podczas gdy zastosowanie ejektora pary lub powietrza może być bardziej atrakcyjne z punktu widzenia układu i konserwacji. Separator 110 cząstek typu uderzeniowego stanowi zwykle układ belek w kształcie litery U lub podobnie ukształtowanych elementów rozmieszczonych przy wylocie pieca 210. W każdym z rozwiązań przedstawionych na fig. 1 i 2, większe oddzielone cząstki stałe przechodzą z powrotem do pieca 120 przez pętlę recyrkulacyjną cząstek stałych 175 umieszczoną poniżej przewodu 150 przy dolnej części leja 160. Gaz z najdrobniejszymi zawieszonymi cząstkami jest zawracany z leja 160 gromadzącego cząstki stałe z powrotem do pieca 120 przez przewód 150. Na fig. 3-7 przedstawiono pięć odmiennych konfiguracji, które dotyczą przyłączenia przewodu 150 do górnej części leja 160. Na fig. 3 pokazano koniec przewodu 150 znajdujący się na jednym poziomie z bokiem leja 160 i zakończony przy ścianie bocznej 230 leja 160. Na fig. 4 koniec przewodu 150 tworzy wygięcie po wyjściu z leja 160 kończące się przy stropie leja 235. W pozostałych rozwiązaniach pokazanych na fig. 5-7 co najmniej część przewodu 150 lub jego przedłużenie przechodzi przez ścianę boczną 230 do leja 160. Takie rozwiązania są zalecane do stosowania wówczas, gdy zachodzi recykling z leja cyklonowego 160 z fig. 1, ponieważ ich konstrukcje zmniejszają energie do porywania grubych cząstek w zawracanym gazie. Przewód 150 z fig. 5 przebiega prosto do leja 160 przechodzi przez ścianę

5 PL B1 5 boczną 230 bez wygięć lub zmiennych załamań kątowych. Na fig. 6 główny przewód 150 kończy się przy ścianie bocznej, jednakże płytka 155 wystaje nad otworem dla przewodu 150, wewnątrz leja 160 od wnętrza ściany bocznej 230. Płytka 155 może być płaska lub zakrzywiona. Na koniec, jak pokazano na fig. 7, końcowa część 157 przewodu 150 przebiegająca do wnętrza leja 160 jest zakrzywiona ku dołowi. Zastosowanie wynalazku do przepływu gazu recyklingu zwiększa recyrkulację najdrobniejszych cząstek stałych z powrotem do pieca 120 dzięki przechwyceniu cząstek, które w przeciwnym razie byłyby przenoszone wraz z gazem wychodzącym z separatora. Obciążony cząstkami stałymi gaz przepływający z powrotem do pieca dodaje się do całkowitej objętości zawracania do obiegu tam, gdzie wykorzystano rozwiązanie według wynalazku. Recykling drobnych cząstek z zastosowaniem przewodu 150 upraszcza proces recyklingu i zmniejsza koszt wzrostu wydajności wykorzystania reagentów w kotle CFB lub reaktora. Chociaż, powyżej przedstawione i opisane szczegółowo specyficzne rozwiązania wynalazku w celu zilustrowania zastosowania zasad wynalazku, to jednak dla fachowca z tej dziedziny jest oczywiste, że mogą być dokonywane zmiany w postaci wynalazku w obrębie poniższych zastrzeżeń bez wykraczania poza takie zasady. Przykładowo, wynalazek może być wykorzystany w nowej konstrukcji wymagającej reaktorów CFB albo komór spalania, albo też do wymiany, naprawy lub modyfikacji istniejących reaktorów lub komór spalania CFB. W niektórych przykładach wykonania wynalazku pewne cechy wynalazku można wykorzystać bez pokrywającego się wykorzystania innych cech. Tak, więc wszystkie tego rodzaju zmiany i rozwiązania mieszczą się w zakresie następujących zastrzeżeń. Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie pracujące z krążącym złożem fluidalnym, posiadające reaktor, co najmniej jeden separator cząstek stałych umieszczony za reaktorem, pętlę recyrkulacyjną cząstek stałych oraz lej gromadzący cząstki stałe przyłączony do, co najmniej jednego separatora cząstek stałych i do pętli recyrkulacyjnej cząstek stałych, znamienny tym, że zawiera ponadto co najmniej jeden przewód (150) łączący dolną część leja (160) gromadzącego cząstki stałe, z reaktorem (120), przy czym przyłączenie tego przewodu (150) do leja (160) gromadzącego cząstki stałe jest usytuowane ponad przyłączeniem pętli recyrkulacyjnej cząstek stałych (175) do leja (160) gromadzącego cząstki stałe, oraz zawiera urządzenie wymuszające recyrkulację gazu (170), przenoszące najdrobniejsze cząstki reagentu z dolnej części leja (160) gromadzącego cząstki stałe do reaktora (120). 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej jeden przewód (150) łączący reaktor (120) z lejem (160) gromadzącym cząstki stałe ma zakończenie przy obudowie (230) tego leja (160). 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że znajdujący się przy leju (160) koniec co najmniej jednego przewodu (150) zawiera płytkę (155) wystającą w dół do wnętrza obudowy (230) leja (160), ponad miejscem przyłączenia tego przewodu (150) do leja (160). 4. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że co najmniej jeden przewód (150) przechodzi przez obudowę (230) do wnętrza leja (160) gromadzącego cząstki stałe. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że znajdujące się we wnętrzu leja (160) gromadzącego cząstki stale, zakończenie (152) co najmniej jednego przewodu (150) jest proste. 6. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że znajdujące się we wnętrzu leja (160) gromadzącego cząstki stałe, zakończenie (157) co najmniej jednego przewodu (150) jest wygięte w dół. 7. Urządzenie pracujące z krążącym złożem fluidalnym, posiadające reaktor, co najmniej jeden wielo-cyklonowy separator cząstek stałych umieszczony za reaktorem, pętlę recyrkulacyjną cząstek stałych oraz lej gromadzący cząstki stałe, przyłączony do, co najmniej jednego wielo-cyklonowego separatora cząstek stałych i do pętli recyrkulacyjnej cząstek stałych, znamienny tym, że zawiera ponadto co najmniej jeden przewód (150) łączący dolną część leja (160) gromadzącego cząstki stałe, z reaktorem (120), przy czym przyłączenie tego przewodu (150) do leja (160) gromadzącego cząstki stałe jest usytuowane ponad przyłączeniem pętli recyrkulacyjnej cząstek stałych (175) do leja (160) gromadzącego cząstki stałe, oraz zawiera urządzenie wymuszające recyrkulację gazu (170), przenoszące najdrobniejsze cząstki reagentu z dolnej części leja (160) gromadzącego cząstki stałe do reaktora (120). 8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że co najmniej jeden przewód (150) łączący reaktor (120) z lejem (160) ma zakończenie przy obudowie (230) tego leja (160).

6 6 PL B1 9. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że znajdujący się przy leju (160) koniec co najmniej jednego przewodu (150) zawiera płytkę (155) wystającą w dół do wnętrza obudowy (230) leja (160), ponad miejscem przyłączenia tego przewodu (150) do leja (160). 10. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że co najmniej jeden przewód (150) przechodzi przez obudowę (230) do wnętrza leja (160) gromadzącego cząstki stałe. 11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że znajdujące się we wnętrzu leja (160) gromadzącego cząstki stałe, zakończenie (152) co najmniej jednego przewodu (150) jest proste. 12. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że, znajdujące się we wnętrzu leja (160) gromadzącego cząstki stałe, zakończenie (157) co najmniej jednego przewodu (150) jest wygięte w dół. Rysunki

7 PL B1 7

8 8 PL B1

9 PL B1 9

10 10 PL B1

11 PL B1 11

12 12 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Nakład 50 egz. Cena 4,00 zł.