CN101558265A - 循环流化床锅炉的蒸发器表面结构和有这样蒸发器表面结构的循环流化床锅炉 - Google Patents

Abstract

循环流化床锅炉(10)的蒸发器表面结构，包括至少一个与炉壁(22)间隔一定距离设置的分离的垂直的蒸发器表面单元(26)由水管板(28，30，54，56，52，64)组成，从循环流化床锅炉(10)的炉底(18)伸展到它的炉顶(20)，蒸发器表面单元(26)包括两个交叉连接的垂直水管板(28，30，54，56，52，64)。优选地，每个蒸发器表面单元的第1水管板(64)是平行于炉顶(20)的水管(84)而第2水管板(62)是垂直于它。每个水管板水管的上端优选地连接在与水管板(62，64)平行的分离的集管(36，38)，和水管板(62，64)以这样的方式有利地从集管(36，38)悬挂下垂，使每个蒸发器表面单元通过一种能在蒸发器表面单元和炉(12)的炉顶(20)之间垂直移动的结构连接在炉顶。

Description

循环流化床锅炉的蒸发器表面结构和有这样蒸发器表面结构的循环流化床锅炉

技术领域

本发明涉及按照权利要求1前序部分所述的循环流化床锅炉(CFB锅炉)的蒸发器表面结构和有这样蒸发器表面结构的循环流化床锅炉。本发明特别涉及设置在大型CFB锅炉的炉子中的蒸发器表面结构，通常是超过400MW_e的直流电站锅炉(once-through utility boiler)。

背景技术

在CFB锅炉中加热的进料水的蒸发，即沸腾大部分是在锅炉炉子外壁的水管板内发生。当增加锅炉效率时，必须与效率成正比地增加炉子的横截面积，以便用对应原先流速的氧气流态化气体的流速燃烧所需数量的燃料。由于使锅炉水平截面的形状太扁长是不利的而且增加锅炉的高度太多也不行，所以在大型锅炉中由炉子外壁形成的蒸发器表面的总面积总是处于太小。例如，如果使用富氧空气代替空气作为流态化气体，作为蒸发器表面的现有炉壁的表面面积甚至可能减小更多。当使用低灰份有良好热值的燃料如干煤时，也可能需要增加附加的蒸发器表面。

为了保证在大型锅炉中足够的蒸发器表面面积，已经建议将不同类型的附加蒸发器表面设置在炉子中。美国专利5,215,042号公开了由纵向的、横向的或交叉的从壁伸展到壁的水管壁分隔的部分炉子，它们的下部有一个开孔或多个开孔能使物料流动。美国专利5,678,497号建议通过用纵向隔板将炉子分成两部分来增加炉子中热交换表面，纵向隔板有短的横向壁部分连接到那里。虽然隔板中有开孔，上述两个实施例有在分隔的炉子的不同部分之间固体物料不流动和气体产生平衡的风险，例如它可能增加环境的排放或甚至在整个锅炉中造成操作的振荡。美国专利6,470,833号公开一种结构，它通过分隔出从炉子的底到顶延伸的封闭的蒸发器空腔形成附加的蒸发器表面从而改善CFB锅炉炉子的操作。这些蒸发器空腔的缺点是它们减小了现有的底表面面积而增加的热交换表面面积却相对很少。

发明内容

本发明的目的是提供循环流化床锅炉的一种蒸发器表面结构以便消除与循环流化床锅炉现有技术的蒸发器表面结构相关的各种问题。

本发明的目的特别是提供一种简单和耐用的循环流化床锅炉的蒸发器表面结构，有足够的蒸发效率而不会干扰锅炉的燃烧过程。

本发明还有一个目的是提供有这样的蒸发器表面结构的循环流化床锅炉。

为了解决上述现有技术的各种问题，建议提供循环流化床锅炉的一种蒸发器表面结构和循环流化床锅炉，该锅炉的蒸发器表面结构有在独立的设备权利要求的特征部分中定义的特征部件。

因此，按照本发明的循环流化床锅炉的蒸发器表面结构的特征部件包括在距炉壁的一定距离之内至少一个分离的由水管板构成的垂直的蒸发器表面单元，从循环流化床锅炉的炉底伸展到炉顶，蒸发器表面包括两个交叉连接的垂直的水管板。

按照本发明的蒸发器表面单元的水管板优选地是常规的水管板，由通过翅片，即窄的金属板连接的一组水管构成，从而它们形成至少部分气密的平板。因此在蒸发器表面单元中水管板的高度对应于炉子的高度和它们的宽度优选地是1-5m，最优选地是2-3m。当两个这样的板交叉连接时，提供耐用和刚性的结构。由按照本发明的蒸发器表面单元构成的蒸发器表面结构在使用中是可靠的，甚至在装配到大型CFB锅炉的炉子中时，炉子的高度可以有40-50m，即使水管板的宽度例如仅有2-3m，也是如此。

因为在蒸发器表面单元内部没有留下无用的空间，如美国专利6,470,833的结构中那样，按照本发明的蒸发器表面结构不会实质地减小炉子中燃烧过程现有的横截面积因而不会产生增加炉子外部尺寸的任何需求。蒸发器表面单元是与外壁分离的和间隔一定距离的，因而炉子中的气体和固体可以尽可能自由地在炉子的各部分中运动。因此，炉子的不同部分是互相平衡的和可以很容易地调节锅炉的操作从而使对环境的排放减至最小。

在某些情况下，对小型CFB锅炉可以仅设置一个按照本发明的蒸发器表面单元，但是大型锅炉优选地有两个或多个蒸发器表面单元。按照优选的实施例，一个锅炉包括3个纵向序列的蒸发器表面单元。特别是在特大型锅炉中可以有4个或更多个蒸发器表面单元和它们也可用与纵向序列不同的方式设置在炉内，例如成两行。

蒸发器表面单无的各水管板优选地是互相成直角。通过使用这种结构，避免形成使固体物料运动不流畅的角，所谓的死角。但是在某些情况，板之间最小的角可以与直角有一定程度的差异。

蒸发器单元的水管板优选地是对称交叉，从而在每个方向平均地获得附加的热交换表面。但是，在最靠近炉子侧壁的蒸发器表面单元的水管板可以特别成T形以这种的方式交叉连接，即使在侧壁一侧的板部分缺失。从而使靠近侧壁处固体物料尽可能地自由流动。在某些情况下，将蒸发器表面单元的水管板互相连接成L形可能是有利的，这里考虑的是交叉结合的一种特殊情况，两个方向的板部分都缺失了。按照一个优选的实施例，在炉子的中间形成一个或两个对称交叉连接的蒸发器单元而在靠近每个侧壁的地方形成T形交叉的蒸发器表面单元。

蒸发器表面单元优选地以这样的方式布置在炉中，使每个蒸发器表面单元的第1水管板与炉顶的水管平行，即在炉子横截面的纵向。因而第2水管板优选地垂直于第1板，即在炉子的横向。在某些情况下，还将蒸发器表面单元的水管板布置在相对锅炉壁的倾斜位置可能是有利的。

当与炉壁平行布置蒸发器表面单元的垂直连接的水管板时，可以用简单的方式布置水管板的水管使其走在炉顶中水管板的水管之间。自然，如果蒸发器表面单元中的水管板的管子直径大于在炉顶中水管板的管之间的距离，即大于管子之间翅片的宽度，那么必须用合适的方法弯曲炉顶的水管，从而在水管板中的管子有足够的空间走在炉顶的水管之间。一种弯曲炉子上部蒸发器表面单元水管板中管子的优选方法将在下面更详细地讨论。

对称交叉构成的水管板优选地可以是几乎相等的宽度。但是按照优选的实施例，炉中横板的宽度约是纵向板的宽度1.5到2倍。尽管这样布置的板，在前板和后板中的启动燃烧器的火焰不会到达它们，但这样得到足够的蒸发器表面面积。优选地在板中形成一个或多个开孔，特别是在蒸发器表面单元中较宽板的下部，从而能使炉中的固体物料自由运动。各板最优选的宽度和宽度比取决于，例如蒸发器单元的数量和锅炉炉子的尺寸。第1和第2水管板宽度之比优选地在1∶3-3∶1。

按照本发明的优选实施例，在每个蒸发器表面单元中水管板的水管从上部连接到布置在不同高度与水管板平行的分离的出口集管。当蒸发器单元的水管以这种方法连接到不是一个出口集管而是两个分离的出口集管时，使水管到出口集管的连接更加容易和在炉子外的水管连接管可以保持短些以及它们的弯曲相对简单。

从出口集管引出蒸汽，集管的长度优选地近似等于相应的水管板的宽度，优选地通过导管连接到水和蒸汽的分离器。特别当锅炉是直流电站锅炉时，每个蒸发器表面单元的出口集管优选地用蒸汽压力平衡管相互连接。还有，蒸发器表面单元的出口集管优选地还用蒸汽压力平衡管连接到炉子侧壁中水管板的出口集管。

按照本发明的蒸发器表面单元的水管板优选地从水管板的出口集管悬挂下垂。因此，水管板的水管有足够的部分，优选地至少1/4，最优选地至少1/3是没有弯曲地垂直连接到出口集管的下边缘。出口集管优选地从锅炉的固定支持结构悬挂下垂。

由于按照本发明位于炉子中的蒸发器表面单元的水管板在炉中被两面加热，所以必须以这样的方式设计该板，特别是在单程型公共锅炉中，使它们和仅由炉外壁一侧加热的蒸发器表面之间按所需的方式分配热的进料水的流量。按照优选的实施例，在单程型公共锅炉外壁的蒸发器表面的水管是常规的平滑的水管，而在炉子内蒸发器表面的水管是所谓的内螺丝管以便保证蒸发器表面充分的热交换和冷却。

相应地，在炉子内部蒸发器表面中水管的直径和管之间的距离可与锅炉外壁中水管的直径和管之间的距离不同。特别是，当蒸发器表面单元水管板中管之间的距离大于炉顶水管之间的距离时，在蒸发器表面中垂直于炉顶水管方向的水管板的水管必须用这样的方法弯曲，使得至少在某些位置有至少两根蒸发器表面水管板的水管穿过炉顶水管之间同一个开孔。

按照优选的实施例，蒸发器表面单元水管板中水管中心点之间的距离与炉顶水管中心点之间的距离之比约为2∶3。因而，在引导垂直于炉顶管的水管板的水管穿过炉顶的位置，将炉顶每根第2水管向邻近的管子弯曲是有利的，以便在炉顶的水管之间每个其余的空间中提供足够大的开孔使蒸发器表面单元水管板中的水管穿过炉顶。然后可以优选地用这样的方式布置蒸发器表面单元中水管板的水管穿过炉顶，使每三分之一水管不弯曲地穿过在炉顶水管之间形成的开孔，而将接下来两个管子弯曲成列穿过同一开孔。

当蒸发器表面单元水管板中水管中心点之间的距离与炉顶水管中心点之间的距离之比为N∶M时，其中N和M是不等的小的整数，优选地小于5，也可以提供规则的布置，布置中某些水管不弯曲地穿过炉顶。例如，如果N是3和M是4，可将蒸发器表面单元水管板的4根管子规则地穿过炉顶中水管之间每三分之一空间，从而蒸发器表面单元的板中每四分之一管子可以垂直穿过。

在按照本发明的蒸发器表面和炉子外壁的蒸发器表面之间上述的差别导致在所有的情况下在炉内蒸发器表面中温度的分布不需对应于在锅炉外壁中水管板内的温度分布。所以这些差别可能造成按照本发明的水管板的热膨胀与锅炉其余部分的热膨胀相比有某些差异。总的来说，大型CFB锅炉从上面悬挂，因而以这样的方式设计锅炉的下部和要连接到那里的所有设备，使当锅炉温度升高到操作温度和锅炉壁的长度因热膨胀增加时，锅炉下部可向下移动甚至高达几十厘米。

由于位于炉内的蒸发器表面结构的温度，例如在锅炉启动期间可以高于锅炉外壁的温度，优选地布置蒸发器表面结构使它们可以相对炉子的外壁移动。按照本发明优选的实施例，用这样的方法做到这一点，将蒸发器表面结构中蒸发器表面单元的下部固定安装在锅炉底部，而蒸发器表面单元的上部可以相对炉顶移动。因而，设置蒸发器表面结构与锅炉侧壁间隔一定距离和优选地通过柔性元件将出口集管支持结构悬挂下垂。悬挂的柔性元件如弹簧的形变优选地是可调节的以便消除蒸发器表面单元可能的振动。

在这样的结构中，不可能将蒸发器表面结构固定地附连到锅炉的炉顶，但是连接包括垂直地柔性的结构，优选地是波纹管。这样的结构能使蒸发器表面结构气密地连接到炉顶，但是该结构在某种程度上可以相对炉顶垂直移动。

附图说明

下面参考附图更详细地描述本发明，附图有：

图1示意地说明有按照本发明优选实施例的蒸发器表面结构的循环流化床锅炉的垂直剖面图。

图2示意地说明有按照本发明另一个优选实施例的蒸发器表面结构的循环流化床锅炉的水平剖面图。

图3示意地说明按照本发明优选实施例的蒸发器表面单元的上部。

具体实施方式

图1说明按照本发明优选实施例的CFB锅炉10，它包括从固定的支持结构14通过悬挂机构16例如悬杆悬挂下垂的炉子12。按照本发明的锅炉可以是自然循环的锅炉，换句话说汽包锅炉，但最优选地它是超临界直流电站锅炉。炉子由底18、顶20和侧壁22限制，它们通常是水管结构。该炉子还装有CFB锅炉其他的常规部分，如燃料和燃烧空气的入口机构，烟道气的出口机构和底灰以及烟尘分离器和连接在那里的回程管。为了简单起见，这些与本发明不相关的细节没有表示在图1中。

炉子的外壁22通常由水管板制成，在水管板内使在烟道气通道的热交换段中预热的给水蒸发，即变成蒸汽。按照本发明，图1中说明的CFB锅炉还包含布置在炉子12内部的蒸发器表面结构24，蒸发器表面结构包括3个从炉子底18伸展到顶20的垂直的蒸发器表面单元26。蒸发器表面单元26包括两个互相垂直以交叉结构连接的水管板28、30。

将预热的给水和从蒸汽分离器回来的可能的液体带入连接在蒸发器表面单元的水管板28、30下部的入口集管32、34，从那里将它引入板28、30内进行蒸发，接着作为蒸汽到出口集管36、38。如果锅炉是所谓的汽包锅炉，使水和蒸汽向上的驱动力是鼓的落水管中液柱的重力。但是，如果锅炉是所谓的强制循环锅炉，特别是所谓的超临界直流电站锅炉，驱动力是水循环泵产生的压力。入口集管32、34和出口集管36、38优选地布置成交叉平行于板，互相相对在不同的水平面。在蒸汽表面单元26中产生的蒸汽，可能还包含有某些液态水，将它从出口集管36、38引入到蒸汽分离器(在图1中未表示)。将分离后的蒸汽从蒸汽分离器进一步引入到例如布置在烟道气通道内的过热器。

水管板28、30优选地通过连接到出口集管36、38的支持机构如悬杆40、42从支持结构14悬挂下垂。水管板28、30优选地以这样的方法固定装配通过炉子的底18，使板不能相对底移动。因为设置在炉子内部的水管板28、30在某些情况下可以与侧壁22的水管板有一温度差，所以这些不同板的热膨胀可能互相不一样。因此，优选地通过能够进行垂直移动的交叉形波纹管44将水管板28、30连接到炉顶20。为了在所有的条件下保持对板功能的支持，悬杆40、42还包括象弹簧的元件46。支持的柔性元件的形变优选地是可调的，以便能消除蒸发器表面单元的振动，例如，横向或转动的振动。

在按照图1的实施例中，所有的蒸发器表面单元26都是相同的，用交叉的形式伸展在每个方向。图2示意地说明另一个优选实施例的水平截面，表示设置在炉子12’内4个蒸发器表面单元的最中心一个48是对称交叉的形状，伸展在每个方向，但最接近炉子端壁52的单元50是T形，蒸发器表面单元没有在端壁侧的板部分。

按照本发明的蒸发器表面单元的水管板54、56优选地是互相成直角固定装配成耐用的结构，它为炉子12提供许多附加热交换表面。板之间的角度也可与直角有某些差别，特别是如果由板组成的交叉结构缺失两个板部分那么板的截面是L形的情况。蒸发器表面单元48、50优选地在炉子12的最大尺寸上布置成一行，但在某些情况下也可用其他方式设置各板，例如成两行。

蒸发器表面单元54、56的宽度优选地是近似相等的。但是，使用板宽度有某种程度的不同常常可能是有利的，例如以这种方式使相对炉子是横向的板54的宽度比对应的纵向板56宽1.5到2倍。因而，来自炉子前壁和后壁的物料流动，换句话说来自炉子长的外壁的流动，或者例如启动燃烧器的火焰，可以用这样的方式布置，使它们不会直接打到纵向的水管板56。

特别当蒸发器表面单元各板部分的宽度占据炉子相应尺寸的显著部分时，在板中特别是在它的下部形成一孔或多孔58，以便能使炉中固体物料尽可能自由地流动。

图3详细说明对称交叉形状的蒸发器表面单元60的水管板62、64的入口借助波纹管箱66穿过炉顶20，和将板62、64的水管连接到锅炉的水循环。优选地将在蒸发器表面单元60中生成的蒸汽收集到平行于水管板62、64的两个出口集管36、38。因而在紧凑的空间中可以用简单的方法形成将水管板62、64的水管连接到出口集管36、38不同侧所需的水管的延伸，特别是它的弯曲68。

通过连接在出口集管36、38的连接管70、72将聚集在出口集管36、38中的蒸汽引导到蒸汽分离器。为了平衡蒸汽压力，优选地用平衡管74将入口集管36、38连接在一起。相应地，优选地通过平衡管76、78将出口集管36、38连接到侧壁的出口集管(图3中未表示)。图3还表示连接到出口集管36、38的蒸发器表面单元60的悬杆的附连机构80。

如果蒸发器表面单元60的水管板62、64中水管中心点间的距离与炉顶水管板82中水管84中心点间的距离相同，并且板62、64的水管直径小于炉顶20水管板82中翅片的宽度，那么可以简单地引导水管62、64通过在水管板82翅片中形成的开孔直接穿过炉顶20。如果翅片的宽度不够，那么必须弯曲炉顶20的水管84以便形成这些穿过炉顶的开孔。依次，如果水管板62、64中水管比水管板82中水管互相更加靠近，那么必须弯曲垂直于炉顶20中水管84的至少部分水管板62的水管86以便引导该管穿过炉顶。

按照本发明的优选实施例，交叉形状的波纹管箱66的下部是固定连接在炉顶20的水管板82，和相应地，波纹管箱的盖88是固定连接在蒸发器表面单元60水管板中的水管。在波纹管箱66的下部和它的盖88之间有柔性元件90，优选地是金属波纹管，以便使水管板62、64中的水管能相对炉顶20垂直移动。波纹管箱66和炉顶20一起构成气密结构防止燃烧气体和炉子颗粒从炉顶逃逸。

在波纹管箱66的分支92内炉顶20中的水管84’平行于炉顶20的水管84，在需要时以这样的方法将其弯曲，使其生成足够大的开孔(在图3中未表示)以便引导蒸发器表面单元60对应的板部分64的水管穿过炉顶。相应地，在波纹管箱66的分支94内的水管84”垂直于炉顶20的水管84，如果需要以这样的方法将其弯曲，使其生成开孔(在图3中未表示)以便引导蒸发器表面单元对应的板部分62的水管穿过炉顶。

按照本发明优选的实施例，蒸发器表面单元60的水管板62、64中水管中心点之间的距离与炉顶20的水管板82的水管70中心点之间的距离之比为2∶3。因此，可以有利地弯曲板62的3根水管以便形成平行于炉顶20的水管84的一列，引导该列通过水管84”之间形成的同一开孔穿过炉顶20。图3没有表示将板62中水管弯曲成列，但是在箱66的分支94上可看到这样生成的管列的上部。

上面参考某些示范性实施例已经描述了本发明。但是，给出的这些实施例不是限制本发明的范围，而仅由附录的权利要求书及其中的定义限制本发明。

Claims (20)

1.循环流化床锅炉的蒸发器表面结构，包括至少一个与炉壁间隔一定距离的垂直的蒸发器表面单元，由水管板形成，从循环流化床锅炉的炉底伸展到炉顶，其特征在于蒸发器表面由两个交叉连接的垂直水管板构成。

2.按照权利要求1所述的蒸发器表面结构，其特征在于蒸发器表面结构包括至少两个蒸发器表面单元。

3.按照权利要求1或2所述的蒸发器表面结构，其特征在于各水管板互相垂直。

4.按照权利要求3所述的蒸发器表面结构，其特征在于至少一个蒸发器表面单元的水管板是对称地交叉的。

5.按照权利要求3所述的蒸发器表面结构，其特征在于至少一个蒸发器表面单元的水管板连接成T形交叉。

6.按照权利要求3所述的蒸发器表面结构，其特征在于每个蒸发器表面单元的第1水管板是平行于炉顶的水管而第2水管板垂直于它。

7.按照权利要求6所述的蒸发器表面结构，其特征在于第1和第2水管板的宽度之比是从1∶3到3∶1。

8.按照权利要求6所述的蒸发器表面结构，其特征在于水管板的水管从它们的上部连接到平行于水管板的集管。

9.按照权利要求8所述的蒸发器表面结构，其特征在于该锅炉是直流电站锅炉和每个蒸发器表面单元的集管用蒸汽压力平衡管互相连接。

10.按照权利要求8所述的蒸发器表面结构，其特征在于锅炉是直流电站锅炉和各蒸发器表面单元的集管用蒸汽压力平衡管连接到炉侧壁水管板的集管。

11.按照权利要求8所述的蒸发器表面结构，其特征在于水管板从所述集管悬挂下垂。

12.按照权利要求11所述的蒸发器表面结构，其特征在于集管从锅炉的固定支持结构柔性地悬挂下垂。

13.按照权利要求12所述的蒸发器表面结构，其特征在于悬挂的柔性元件的形变是可调的以便消除蒸发器表面单元的振动。

14.按照权利要求12所述的蒸发器表面结构，其特征在于每个蒸发器表面单元通过柔性结构连接到炉顶，使得能在蒸发器表面单元和炉顶之间垂直移动。

15.按照权利要求14所述的蒸发器表面结构，其特征在于使得能在蒸发器表面单元和炉顶之间移动的结构包括波纹管。

16.按照权利要求11所述的蒸发器表面结构，其特征在于设置第2水管板中至少一部分水管形成平行于炉顶水管在炉顶水平的管列。

17.按照权利要求16所述的蒸发器表面结构，其特征在于第2水管板中水管中心点之间的距离与炉顶水管板的水管的距离之比为N∶M，其中N和M是不相等的小整数。

18.按照权利要求17所述的蒸发器表面结构，其特征在于N和M都小于5。

19.按照权利要求18所述的蒸发器表面结构，其特征在于N是2和M是3。

20.一种循环流化床锅炉，包括底、顶和由侧壁限定的炉子，并有蒸发器表面结构，其特征在于蒸发器表面结构是按照前述权利要求1-19中一项所述。

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