CN1010973B - 蒸汽发生器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

蒸汽发生器及其操作方法。它具有若干可燃颗粒燃料的床，将空气导入每个床使其流化。从每个床上带走的细颗粒在床的外面从燃烧的气态物中分离出来并导回到一个床上。独立的流体循环和独立的床进行热交换以独立控制再热蒸汽、主蒸汽和过热蒸汽的出口温度。

Description

本发明涉及蒸汽发生器及其操作方法，其中热量是通过燃料在若干个流化床上燃烧产生的。

采用流化床作为基本热源的蒸汽发生装置是公知的。其中空气流经一床煤等矿物燃料以及对燃煤所生之硫的吸附剂的颗粒物，使床流化并促使燃料在较低温度下燃烧。流化床所生之热用来变水为汽，它由于综合了释热高，吸硫佳，氧化氮量低和燃料的适应性而备受注意。

最典型的流化床燃烧系统通常称为沸腾式流化床，即一床颗粒物质由布风板（air    distribution    piate）支承，燃烧-支承空气（combus-tion-supporting    air）经板上的若干小孔导入，使颗粒物扩展并处于悬浮或流化的状态。在蒸汽发生器中，壁包括流化床由若干传热管构成，流化床上燃烧产生的热量传给在管内循环的水。传热管通常连接具有蒸汽锅筒的自然水循环环路，它把水与形成的蒸汽分开，蒸气被送往涡轮机或其他蒸汽用户。

在致力改进沸腾式床的燃烧效率，污染扩散控制和操作调节范围（turndown）时，流化床反应器已经采用一种循环式的流化床工艺。根据该工艺，流化床密度达到固定颗粒体积的5～20%之间，它以低于沸腾式流化床典型的固定颗粒体积30%而更佳。低密度循环式流化床的形式是由于其粒度小和固体颗粒通过量高，它要求固体颗粒的回收高。循环式流化床的速度范围介于固体的终速或自由落体速度和一种速度之间，超过这种速度流化床可能被变为一条气动输送线。

循环式流化床所要求的高的固体颗粒循环使它对燃料释热方式不敏 感，因此使蒸汽发生器内温度的变化最小，并且减少了氧化氮的形成。而且，固体装料量大改进了从分离固体与气体以回收固体的机械装置的效率。增加了硫吸附和燃料的停留时间的结果降低了吸附剂和燃料的消耗量。

然而循环式流化床工艺并非没有问题，特别是用在蒸汽发生装置上。例如与主蒸汽和/或过热蒸汽比较，它缺乏一套独立控制再热蒸汽出口温度的方法，尤其是当前两种蒸汽须加热至950°F或更高并保持该温度在一个宽的控制范围而不需过多的温度控制。

因此本发明的一个目的是提出一种蒸汽发生器及其操作方法，它有一个独立于其他蒸汽级循环的用于再热蒸汽的循环。

本发明的另一个目的是提出一种蒸气发生器和上述类型的方法，其中用独立燃烧的流化床直接控制再热蒸汽的温度，以及用独立的流化床控制蒸汽发生率和过热蒸汽的温度。

本发明的另一个目的是提出一种蒸汽发生器和上述类型的方法，在蒸汽发生和过热蒸汽循环中应用沸腾式流化床，而在再热蒸汽流程中应用循环式流化床。

为实现这些和其他目的，设置了若干可燃颗粒物的流化床并将空气和燃料导入每个床以进行流化。每个床上的燃气和被带走的细颗粒混合并且在床外面颗粒从气体中分离出来，然后再导到流化床。建立独立的流体循环，包括一些同独立的床进行热交换的流体循环以独立控制蒸汽发生率，再热蒸汽和过热蒸汽的温度。

参考下列对本发明目前最佳的尽管是举例的实施方案和附图的详述，可以更加全面理解以上简述以及本发明方法之其他目的、特点和优点。

图1是体现本发明特点的强制循环蒸汽发生器的示意图;

图2类似图1，特别表示本发明蒸汽发生器的水流循环;

图3类似图2，特别表示本发明蒸汽发生器的蒸汽循环;

图4类似图2，特别表示本发明蒸汽发生器的过热蒸汽循环;

图5类似图2，特别表示本发明蒸气发生器的再热蒸汽循环;

图6类似图2，特别表示本发明蒸汽发生器的空气和烟气循环。

先参照图1，用10概括表示本发明的强制循环蒸汽发生器，它具有多根细长垂直的钢支柱例如符号12、14和16所示，从发生器的地面18延伸至构成发生器顶板的多个水平沿伸的横梁，例如符号20所示的为其中之一。多个吊架22从横梁20向下延伸用以支承一个蒸汽锅筒24。锅筒有一条向下的排水管。多个辅助吊架27从横梁20向下延伸用以支承发生器的热回收部分，它将在以后详述。三个流化床室A、B和C用一般的底架28支承在发生器10的下部。连续的空气分配板或炉篦30横贯三个室A、B和C的总宽。风室34、36和38，分别在紧挨室A、B和C的下面，它引导空气向上经空气分配板的相应部分进入室内。

构成附加流化床的A室由空气分配板30、一对垂直壁40和42以及上斜壁44构成，而构成第二附加流化床的B室由空气分配板30、壁42和44以及与壁42相对的直壁46构成。可以明白，有一对侧壁（未示）与壁40、42、44和46构成一个壳体，而这些侧壁以及壁40、42、44和46由若干密封连接的水壁管构成。

A室内有形成第一流体循环的热交换管束48，用以循环通过室的流体（将在后面详述）。同样，B室内有构成第四流体循环的热交换管束50，用以循环通过室的流体（亦将在后面详述）。

壁46的高度基本上为发生器10的总高，它和与之相对的直壁51构成第一流化床的C室。壁42、46和51都有一个开口52，以使A室的烟气向B室，A室的燃气在B室与B室的烟道气混合流过C室，在C室中A室和B室的烟道气与C室的烟道气混合，然后向上流过C室的后部，穿过设在壁51上的开口53，流入与C室相邻的旋风分离器54内。分离器54有一个漏斗部分56，它再连接一个密封筒58，该筒具有一条伸入C室下部 的排料管60（其原因后述）。

热回收区用64概括表示，它邻近C室上部和旋风分离器54的对面。热回收区由与壁46相对而垂直的壁66和横跨热回收区、C室和旋风分离器54，基本上水平的壁68构成。

壁69跨越旋风分离器54和C室的顶部，它与壁68共同构成将燃气从旋风分离器54输往热回收区的通道（将予后述）。壁66、68和69亦由若干密封连接的水壁管构成。燃气控制挡板70位于热回收区64的下部，它在燃气通过管束72并离开废气管74进入空气加热器（后面详述）之前控制热回收区的气流（将在后面详述）。

图2类似图1，但删去了图1中的某些部分而增加了补充部分，以便说明。图2主要表示了图1中蒸汽发生器的水流程，为此，泵76与蒸气锅筒24的排水管26的下部连接。由于可以设置多个排水管26和泵76，故用一个歧管78连接泵76的出口以将水从蒸汽锅筒24供往多个基本上水平的和垂直的水道，每种水道之一分别由符号80和82表示。

多个垂直给水器83，图中所示为其中之一，接自水道80，又连接水箱84。水箱将水供给热回收区64的水管壁85。可以明白，还有其他的垂直给水器连接水道以将水供给热回收区64的侧壁（未示出）。接自水道80的多个给水器86连接水箱（未示出），该水箱是壁46和51上一对密封组件88的一部分。密封组件88用来调节用底架28支承的蒸汽发生器下部和用吊架22与27支承的蒸汽发生器上部之间的不均匀膨胀。由于密封组件已经在1985年3月11日提交的待批美国专利申请710，653和美国专利4，604，972中充分公开，并转让给同本发明一样的受让人，故不作更详尽的叙述。可以明白，密封组件88上的水箱供水给构成壁46和51上部的水壁管。

接自各个水道80的附加给水器94供水给水箱96并经水管壁98，后者与壁51和69以及侧壁（未示出）一起围住旋风分离器54。

垂直水道82连接水平水管100。每个水管有多个垂直方向的给水器102，分别连接水箱104以向壁40、42和46供水。附加给水器106自水管100供水给A室内水管束48的进水箱108。

水管110从锅炉给水泵（未示）延伸至管束72的进水箱112。管束72的出口经水箱114连接水管116和通往水管束120的进水箱118。水管束位于热回收区内并用作节约器。管束120的出口经水箱122和水管124连接蒸汽锅筒24的进口。

根据上文可知，本发明的水的循环是从锅炉给水泵进入并通过管束72，管束120并进入蒸汽锅筒24。水与供给锅筒24的蒸汽混合，而由此产生的水通过排水管26并经泵76进入歧管78。然后水从歧管78流经水道80，给水器83和94，分别通往水壁85和98。水道82经水管100和给水器104和106供水给壁40，42和46以及管束48。

图3是类似图1和图2的示意图，但删去了后者的有些部分，并且增加了补充部分，以更好地说明本发明的蒸汽循环。用参考号130表示若干位于壁66、85、46和51上端部的气箱。可以明白，热回收区64、C室和旋风分离器54上的侧壁具有同样的气箱。若干给气器132接自气箱向上并连接导管133。该导管自壁68延伸至蒸汽锅筒24以将流体从壁中之各气箱输入蒸汽锅筒。

流经壁40、42、44和46的水转变成蒸汽并通过一对气箱134，而流经管束48的水也转变成蒸汽并通过出气箱135。来自气箱134和135的蒸汽经导管136和137进入蒸汽锅筒24，与如上所述从导管133进入蒸汽锅筒的蒸汽混合。

图4更好地表示了本发明蒸汽发生器的过热循环，它包括位于热回收区64作为最初过热器的并构成第三流体循环的管束140，以及经导管144连接蒸汽锅筒24出口的进气箱142。过热蒸汽通过管束140后流经气箱146和导管148进入喷射式温度调节器150。蒸汽视需要在经导管 151导入进气箱152之前在喷射式温度调节器降温。B室内的管束50连接进气箱152，因此作为最终过热器。管束50的出口经气箱154和导管156连接涡轮机（未示）的进口。

本发明蒸汽发生器的再热循环更好地展示于图5，它删去了前述的各图中的一些部分并增加了一些补充的部分，以便说明。在热回收区64有作为再热器的构成第二流体循环的多根管子的管束160和162。来自高压涡轮机（未示）的导管164连接进气箱166，进气箱经导管168连接再热器160。再热蒸汽通过再热器160和162后，经导管170通往出气箱172，它再经导管174连接低压涡轮机（未示）。请注意，此再热循环完全独立于图3所示的主蒸汽循环和图4所示的过热汽循环。

蒸汽发生器10的空气和燃气循环更好地示于图6，它增加了补充部分并且删去了前述各图中的某些部分，以便说明。尤其是来自增压风机180的空气在导入之前先经导管182和空气加热器184，再经若干垂直导管186分别通过A室、B室和C室下面的风室34、36和38。A室、B室和C室内的一床颗粒物随分别自风室34、36和38向上通过炉篦30进入室内的空气而流化。导入A室和B室的流化床的空气的流化速度根据床上颗粒的大小调节，因此A室和B室中的颗粒物是在“沸腾”床上流化，被经过床的空气和燃气带走的颗粒最少。导入C室的空气的速度对于床上的颗粒大小来讲，是要形成一个高循环式床，即床上颗粒物的流化程度在C室的总高度上接近于饱和。

被导入A室和B室的流化床的燃料被点火，而补充的燃料和吸附剂用一般的给料器（未示）加入流化床。所形成的烟道气包括燃烧所产生的气态物和通过床的空气夹带了室内一小部分较细颗粒物。所产生的烟道气和颗粒物混合物通过壁42上的开口52进入B室，在通过壁46上的开口52进入C室之前与B室内同样的混合物混合。如上所述，空气经风室38进入C室的速度与C室内颗粒的大小有关，它使颗粒悬浮在空气中并 沿C室的高度向上输送，并从壁51上部的开口53排出再进入旋风分离器54。请注意，B室事实上是在A室同C室之间，C室的流化床同A室的流化床可以是绝热的，或者流化床上的燃料可通过各室之间的格栅板自由地在A室、B室和C室之间流动。

颗粒物用旋风分离器54从燃气中分离出来，燃气向上流进由壁68和69构成的导管，经由壁51和46上的开口进入热回收区64。热回收区64内的部分燃气经壁85上的开口通过作为最初过热器和调节器的管束140和120。剩余的燃气通过作为再热器的管束162和160。燃气通过热回收区64后再通过挡板70，需要时，可通过调整挡板70控制这股燃气流以及流动通过作为初级过热器的管束140和作为省煤器的管束120的燃气。然后燃气通过管束72并经排气管74，在排往集尘器、引风机和/或烟囱（未示出）之前进入空气加热器184以加热来自增压风机180的空气。

从旋风分离器54分离出来的固体颗粒物落进分离器的漏斗部分56再排入密封筒58。密封筒58的功能是将负压操作的旋风分离器收集的物料输往在大气压下操作的C室以避免燃气绕过C室。密封筒为普通结构，包括一个低速沸腾床，用风机196进行流化。接于分离器54的漏斗部分56的插管198将物料排入密封筒。当进入密封筒的物料越来越多而使料面升高时，它溢流入排料管60再流进C室，然后，被分离的颗粒物，在热状态下通过C室，也就是说不通过任何热交换器一类的装置。由于密封筒58的操作平常，故不作更详细的说明。

本发明之方法具有若干优点。例如图5介绍的再热循环完全独立于图3介绍的蒸汽发生循环和图4介绍的过热循环。而且采用三个独立的流化床可使A室流化床和B室流化床的温度独立于C室循环式流化床的温度，而进行控制。此点尤其重要是因为C室床的温度直接影响再热循环，再热蒸汽的热输入和输出温度因此可独立于主蒸汽和过热蒸汽而得到调节。

根据上述可以理解，在不超出本发明范围的情况下所作各种变更。例如，主蒸汽循环和过热循环可以合用一个床，而且A室、B室和C室的床可以是沸腾式的或者是循环式的。

对上述公开可作其他改进、变更或替换，有时可应用本发明的某些方面而不用其他方面。而且，好在所附的权利要求书解释全面，并且与本发明的精神和范围一致。

Claims (22)

1、一种操作蒸汽发生器(10)的方法，它包括下述步骤：形成颗粒燃料的第一床(C)；形成至少一个颗粒燃料的附加床(A)；将空气和燃料导入上述床(A，C)中的每个床使其流化并促进上述燃料的燃烧；其特征在于：设立第一流体循环(48，40，42)，将水通过上述附加床的热交换装置以使水转变为蒸汽；将来自上述附加床(A)与来自上述第一床(C)的烟气和其夹带的颗粒燃料的混合物合在一起；将上述颗粒燃料从上述混合的混合烟气中分离出来；使上述分离出来的颗粒燃料再送回上述第一床(A)；将上述蒸汽通到使用蒸汽的外部设备；设立独立于上述第一流体循环(48，40，42)的第二流体循环(160，162)，用于接收来自上述外部设备的蒸汽；以及将上述分离出来的烟气通过上述第二流体循环(160，162)的热交换装置，以将上述蒸汽再加热。

2、根据权利要求1的方法，其特征是还包括以下步骤：将来自上述第一流体循环（48，40，42）的蒸汽通过一个蒸汽锅筒（24）;设立第三流体循环（140），以接收上述锅筒的蒸汽;以及将上述分离出来的烟气通过第三流体循环（140）的热交换装置，以将上述蒸汽过热。

3、根据权利要求2的方法，其特征是有二个附加床（A，B），上述第一流体循环（48，40，42）将水通过上述两个附加床（A，B）之一的热交换装置;还包括以下步骤：设立第四流体循环（50），用于将上述过热的蒸汽通过另一个附加床（B）的热交换装置以便进一步过热上述蒸汽。

4、根据权利要求1的方法，其特征是还包括以下步骤：控制根据在上述床中的颗粒燃料的大小，导入上述第一和附加床（A，B）的空气速度;从而使上述第一床（C）作为循环式床，使上述附加床（A）作为沸腾式床。

5、根据权利要求3的方法，其特征是还包括以下步骤：控制根据在所述床中的颗粒燃料的大小，导入上述第一和附加床（A，B，C）的空气速度，从而使上述第一床（C）作为循环式床，使上述附加床（A，B）作为沸腾式床。

6、根据权利要求1的方法，其特征是在上述第一流体循环（48，40，42）中包括有形成限定上述附加流化床（A）的壁的水管（40，42）和在上述附加床（A）的至少一部分上设置的热交换管道（48）。

7、根据权利要求1的方法，其特征是上述第二流体循环（160，162）中包括有在上述流化床（A，C）的上面形成的一束热交换管道。

8、根据权利要求3的方法，其特征是在上述第一（48，40，42）和第四流体循环（50）中包括有形成限定上述附加流化床（A）的壁的水管（40，42，46），和在上述附加床（A）的至少一部分上设置的热交换管道（48）。

9、根据权利要求2的方法，其特征是在上述第二（160，162）和第三（140）流体循环中包括有在上述流化床上面形成的一束管道。

10、根据权利要求1的方法，其特征是上述被分离出来的颗粒燃料直接通过上述第一床（C），而不通过任何热交换表面。

11、根据权利要求1的方法，其特征是还包括下述步骤：独立调节上述第一床（C）和附加床（A）的操作温度。

12、一种按权利要求1所述方法操作的蒸汽发生器（10），它包括形成颗粒燃料的第一床（C）的装置（30，38）;形成颗粒燃料的至少一个附加床（A）的装置（30，34）;用于将空气和燃料导入上述床（A，C）而将其流化并促进上述燃料燃烧的装置（180，182，186）;其特征在于，还包括用于将水通过上述附加床（A）的热交换装置，以将水转换成蒸汽的第一流体循环装置（48，40，42）;用于将来自上述附加床（A）的烟气和其夹带的颗粒燃料的混合物导入第一床（C）的装置（52），上述混合物并与第一床（A）的燃气和带有的颗粒燃料的混合物混合在一起;用于从上述被混合在一起的混合物中将夹带的颗粒燃料与烟气分离的装置（54，56）;用于将上述被分离出来的颗粒燃料送回到上述第一床（A）的装置（58，60）;用于将上述蒸汽通到使用该蒸汽的外部设备的装置（156）;独立于上述第一流体循环装置（28）的第二流体循环装置（160，162），用于接收来自上述外部设备的蒸汽;和用于将分离出来的烟气通过上述第二流体循环装置的热交换、以再加热上述蒸汽的装置（66，60，69）。

13、根据权利要求12的蒸汽发生器，其特征是还包括有将来自上述第一流体循环装置（48，40，42）的蒸汽通到上述蒸汽锅筒（24）的装置，用于接收上述蒸汽锅筒（24）的蒸汽的第三流体循环装置（140）;和用于将上述被分离出来的烟气通过上述第三流体循环装置（140）的热交换装置以过热上述蒸汽的装置（66，68，69）。

14、根据权利要求12的蒸汽发生器，其特是包括有两个附加床（A，B），上述第一流体循环装置（48，40，42）将水通过上述附加床（A，B）之一的热交换装置;还包括用于将上述过热蒸汽通过上述另一附加床（B）的热交换装置以进一步过热上述蒸汽的第四流体循环装置（50）。

15、根据权利要求12的蒸汽发生器，其特征是还包括有用于根据上述床上的颗粒的大小来控制向第一和附加床（A，C）引入空气的速度的装置，以便使上述第一床作为循环床（C），使上述附加床（A）作为沸腾床。

16、根据权利要求14的蒸汽发生器，其特征是还包括有用于根据上述床上的颗粒的大小来控制向第一和附加床（A，B，C）层引入空气的速度的装置，以便使上述第一床（C）作为循环床，使上述附加床（A，B）作为沸腾床。

17、根据权利要求14的蒸汽发生器，其特征是上述第一流体循环装置（48，40，42）包括有多个形成限定上述附加流化床（A）的壁（40，42）的水管，在上述附加床（A）的至少一部分上设置的多个热交换管道（48），和用于循环通过上述管道的水和蒸汽的装置。

18、根据权利要求12的蒸汽发生器，其特征是上述第二流体循环装置（160，162）包括有在流化床（A，C）上面形成的一束热交换管，和用于循环通过上述管的蒸汽的装置。

19、根据权利要求14的蒸汽发生器，其特征是上述第一（48，40，42）和第四（50）流体循环装置中包括有多个形成限定上述附加流化床（A）的壁的水管（40，42，46），在上述附加床（A）的至少一部分上设置的多个热交换管（48），和用于循环通过上述管的水的装置。

20、根据权利要求13的蒸汽发生器，其特征是上述第二（160，162）和第三（140）循环装置包括有在流化床上面形成的一束热交换管，和用于循环通过上述管的蒸汽的装置。

21、根据权利要求12的蒸汽发生器，其特征是被分离的颗粒燃料直接通过上述第一床（C），而不通过任何热交换表面。

22、根据权利要求12的蒸汽发生器，其特征是还包括有用于独立调节上述第一床（C）和附加床（A）的温度的装置。

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