CN101896769A - 基于喷枪管温度控制吹灰装置中的冷却流 - Google Patents

基于喷枪管温度控制吹灰装置中的冷却流 Download PDF

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Abstract

用于清洁锅炉(10)中的传热表面的清洁系统和方法，其利用用于测量并监控一个或多个吹灰装置(84)的喷枪(91)的管子(86)的环形壁(93)的壁温的温度测量系统。基于来自该温度测量系统的壁温测量在行程的冷却部分期间控制蒸气或其它流体流过所述管子(86)。可以利用红外或热电偶温度测量系统。该蒸气或其它流体可以以基本为零的缺省流速流动，直到温度测量系统指示环形壁(93)的壁温开始超过其可能为环形壁(93)的软化点的预定的温度限制。然后蒸气或其它流体以大于该缺省流速的速度流动。

Description

基于喷枪管温度控制吹灰装置中的冷却流
技术领域
本发明一般涉及锅炉和吹灰装置，特别是涉及用于除去锅炉换热器上的灰沉积物(ash deposit)并且当不主动清洁该灰沉积物时使通过吹灰装置的蒸气或其他清洁流体流动速率最小的方法和装置。
背景技术
在造纸过程中，作为副产品，化学制浆产出黑液，该黑液几乎包含与在蒸煮器中制浆期间从木材中分离的木质素和其他有机物质一起的所有无机蒸煮化学物质。黑液在锅炉中被燃烧。锅炉的两个主要功能是回收在制浆过程中所用的无机蒸煮化学物质，和利用黑液有机部分中的化学能为造纸厂产生蒸气。正如本文所用的，术语锅炉包括顶部支撑的锅炉，正如下面所描述的，该锅炉燃烧弄脏(foul)传热表面的燃料。
克拉夫特锅炉(Kraft boiler)包括在上部燃烧室(furnace)中的过热器，该过热器通过来自燃烧室气体的辐射和对流得到热。饱和蒸气进入过热器部分，并且过热蒸气以控制的温度离开。过热器由用于导热和传热的管子构造的台板(platen)的阵列构造。过热器传热表面被从燃烧室带出的灰连续地弄脏。能够在克拉夫特锅炉中燃烧的黑液的量通常被在过热器表面上弄脏的速率和程度所限制。弄脏——包括沉积在过热器表面上的灰——减少从液体燃烧中吸收的热，导致来自过热器的离开蒸气温度降低和进入锅炉束管(boiler bank)的高的气体温度。
为了清洁需要关闭锅炉，当离开蒸气温度对于用在下游设备而言太低，或进入锅炉束管的温度超过沉积物的熔化温度时，导致锅炉束管的气体侧面堵塞(side pluggage)。此外，最终的弄脏引起堵塞(plugging)，并且为了除去该堵塞，在锅炉中的燃烧过程必需停止。克拉夫特锅炉特别容易引起过热器弄脏的问题。从克拉夫特锅炉的过热器除去灰沉积物的三种常规方法包括：
1)吹灰，2)激冷(chill)并吹灰(blow)，3)水冲洗。本申请仅仅涉及(address)这些方法中的第一种，吹灰。
吹灰是一个过程，包括用来自吹灰装置喷枪的喷嘴的蒸气气流(blast)吹掉受灰沉积物影响的过热器(或其他传热表面)上的沉积的灰。吹灰装置喷枪具有喷枪管，用于将蒸气引导到在该喷枪远端处的喷嘴。在锅炉正常工作期间，吹灰用在不同时间接通的不同的吹灰装置基本连续地进行。通常使用蒸气进行吹灰。单个吹灰装置的蒸气消耗一般为4-5kg/s，与同时使用四个吹灰装置的消耗一样多。一般的吹灰装置利用整个锅炉的蒸气产量的3-7％。因此吹灰作业(procedure)消耗了由锅炉产生的大量热能。
吹灰过程可以是称为连续吹灰的作业的一部分，其中吹灰装置按照由某个预定列表确定的次序以确定的时间间隔运行。吹灰作业根据该列表以其自己的速度(pace)进行，而不管吹灰是不是需要。经常，这导致未必能够防止的堵塞，即便吹灰作业消耗大量蒸气。每次吹灰操作减少附近的一部分灰沉积物，但是灰沉积物仍然随着时间持续堆积。随着沉积物增加，吹灰逐渐变成低效并导致传热的降低。当灰沉积物达到某个阈值——其中锅炉效率显著降低而吹灰不够有效时，沉积物可能需要通过另外的清洁方法除去。
蒸气吹灰装置通常包括具有细长管子的喷枪，该细长管子在其远端具有喷嘴，并且该喷嘴具有一个或多个径向开口。该管子连接于加压的蒸气源。吹灰装置进一步构造成被插入燃烧室中和从燃烧室抽出，或在位于燃烧室外面的第一位置和在燃烧室内的第二位置之间移动。当吹灰装置在第一和第二位置之间移动时，吹灰装置旋转并且接近传热表面。吹灰装置被设置为大致垂直于传热表面移动。
一些具有传热表面的台板具有通过该台板的通道，以允许垂直于传热表面移动。进入在燃烧室内的移动通常是在第一和第二位置之间的移动，可以被称为“第一行程(first stroke)”或插入，而从燃烧室出来的移动通常是在第二和第一位置之间的移动，可以称为“第二行程(secondstroke)”或抽出。一般而言，吹灰方法利用了在第一位置和第二位置之间的吹灰装置的全部运动；但是，部分运动也可以被认为是第一和第二行程。
当吹灰装置移动接近传热表面时，蒸气通过喷嘴的开口被排出。该蒸气接触传热表面上的灰沉积物，并且除去大量的灰，然而一些灰仍然留下。正如本文所用的，术语“除去的灰”指的是被吹灰作业除去的灰沉积物，而“残留的灰”指的是在吹灰作业之后留在传热表面上的灰。蒸气通常在第一行程和第二行程两者期间施加。
不是简单地按照预定计划操作吹灰装置，当灰堆积达到预定量时，可能期望起动吹灰装置。确定在燃烧室内传热表面上的灰堆积的量的一种方法是测量传热表面和相关过热器部件的重量。确定沉积物的重量的一种方法公开在美国专利No.6,323,442中，而另一种方法公开在2004年9月27日提交的美国专利申请序列号10/950,707中，两者通过引用并入本文。还希望通过当清洁传热表面时使吹灰装置利用最少的蒸气量来节约能源。
发明内容
用于清洁锅炉中的一个或多个换热器的传热表面的清洁系统包括一个或多个吹灰装置，每个吹灰装置包括具有细长空心管和在该管远端的两个喷嘴的喷枪。温度测量系统被用于在该一个或多个吹灰装置工作期间测量并监控该管的环形壁的壁温度。
清洁系统的示例性的实施方式包括，每个吹灰装置是可以操作的，用于在插入和抽出行程中将喷枪移动进入该锅炉并从该锅炉移出，以及在该行程的清洁部分和冷却部分期间，控制系统被用于控制蒸气或其他清洁流体流过该管子和喷嘴。控制装置还是可操作的，用于根据来自温度测量系统的壁温测量，在行程的冷却部分期间控制蒸气的流动。该控制装置还是可操作的，用于在行程的冷却部分期间控制蒸气的流动，以防止壁温测量超过预定的温度限制，该预定的温度限制可以是管子的软化点或稍低于该软化点。
温度测量系统可以是用于测量锅炉外面的环形壁的壁温的红外温度测量系统。该温度测量系统可以是热电偶温度测量系统，其具有附着于环形壁热电偶，用于测量在锅炉里面的环形壁的壁温。热电偶可以从环形壁的内表面部分地设置在通过该环形壁并沿着该环形壁的长度的孔中。
操作清洁系统的方法可以包括在行程的冷却部分期间使蒸气或其他热的清洁流体以等于内定值(缺省值，default value)的流率流过管和喷嘴，除非根据来自温度测量系统的温度测量，壁温超过或将要超过预定的温度限制，并且然后，增加流率高于内定值。该内定值可以基本为零。
附图说明
本发明的前述方面和其他特征在下面结合附图的描述中进行说明，其中：
图1是典型的克拉夫特黑液锅炉系统的示意图，该锅炉系统具有若干个吹灰装置和用于测量并监控喷枪管温度的温度测量系统，并且使通过该吹灰装置的清洁流体的流率取决于温度。
图2是在图1所示的锅炉系统中的过热器的吹灰装置的示意图。
图3是用于测量图1和图2所示的吹灰装置喷枪管的温度的红外温度测量系统的示意图。
图4是用于测量图3所示的吹灰装置喷枪管的温度的红外温度测量系统的红外传感器的示意图。
图5是用于测量图1和图2所示的吹灰装置喷枪管的温度的热电偶温度测量系统的示意图。
图6是安装在喷枪管中的图4所示的热电偶温度测量系统的喷枪管中的热电偶的示意图。
具体实施方式
图1中示意地示出具有吹灰装置系统3的克拉夫特黑液锅炉系统10的示例性实施方式，该吹灰系统3具有一个或多个吹灰装置84。具有多个吹灰装置84的克拉夫特黑液锅炉系统10公开并描述在2004年9月27日提交的，名称为“确定的单个吹灰装置效率的方法(Method ofDetermining Individual Sootblower Effectiveness)”的美国专利申请No.10/950,707中，该申请通过引用并入本文。控制系统300部分地基于吹灰装置喷枪91的管86的环形壁93的测量温度操作吹灰装置84。在工作期间吹灰装置84通常转动喷枪91。环形壁93的温度用图1所示的温度测量系统9测量和/或监控，该温度测量系统作为红外温度测量系统11如在图3和图4更详细地所示出的。可以用另一种类型的温度测量系统，例如，如图5和图6所示的热电偶温度测量系统13。
黑液是造纸过程中的化学制浆的副产品，并且该黑液在锅炉系统10中燃烧。黑液在气化器12中被浓缩到点火状态并且随后在锅炉14中燃烧。黑液在锅炉14的燃烧室16中燃烧。外角(bullnose)20设置在锅炉14中的对流换热部分18和燃烧室16之间。燃烧将黑液的有机物质在包括干燥、除去挥发成分(热解、分子裂化)和焦化燃烧/气化的一系列过程中转换成气体产物。一些液体有机物被燃烧成称为碳(char)的固体碳颗粒物。尽管一些碳在飞行中燃烧，但是碳的燃烧主要发生在覆盖燃烧室16的底层的碳床22上。由于在碳(char)中的碳(carbon)被气化或燃烧，碳中的无机化合物被释放并形成称为熔化物(smelt)的熔化盐混合物，其流到碳床22的底部并且从燃烧室16通过熔化物口(smelt spouts)24持续流出。废气通过静电除尘器(electrostatic precipitator)26过滤，并且通过排气管(stack)28排出。
燃烧室16的竖直壁30与竖直对准的壁管32排成直线，通过该壁管水被燃烧室16的热蒸发。燃烧室16在三个不同的高度水平(level)上具有第一水平空气口34、第二水平空气口36和第三水平空气口38，用于引进空气进行燃烧。黑液被喷射出黑液枪40进入燃烧室16中。传热部分18包含三组管子束管(热收集器)，其以分级方式连续地将供给水加热成过热蒸气。管子束管包括在其中供给水被加热到刚好低于其沸点的节约器50、与壁管32一道，在其中水被蒸发成蒸气的锅炉束管52或“蒸汽生成束管(steam generating bank)”以及过热器系统60，其将蒸气的温度从饱和温度提高到最终过热温度。
参考图2，本文所示的过热系统60具有用于全部三个过热器的第一、第二和第三过热器61、62和63，但是，根据需要，可以包括更多或更少的过热器。三个过热器的结构相同。每个过热器是具有至少一个但是通常具有多个，例如20-50个，换热器64的组件。蒸气通过称为进口总管(header)65的歧管进入换热器64。蒸气在换热器64内被过热，并且当过热的蒸气通过称为出口总管66的另一个歧管时离开换热器。换热器64从总管65、66悬垂，总管65、66本身通过未在此示出的吊杆从上面的梁悬垂。
换热器64的台板67具有本文称之为换热表面69的外表面，该外表面暴露在热的燃烧室16内部。因此，在燃烧室16正常工作期间，实际上该换热表面的所有部分都可能被灰覆盖。清洁换热表面的主要部分，即，使通过清洁系统80除去部分灰。清洁系统80包括至少一个，并且优选包括多个现有技术已知的蒸气吹灰装置84。本文所示的清洁系统80包括蒸气蒸气吹灰装置84；但是，也可以使用具有利用其他清洁流体的吹灰装置的清洁系统80。吹灰装置84被设置为清洁换热器，更具体地说，清洁换热表面。吹灰装置84包括细长的空心管86，该空心管86在其远端89具有两个喷嘴87。这两个喷嘴87间隔约180度。
管子86与蒸汽源90流体连通。在清洁系统80的一个实施方式中，蒸气以约200至400psi之间的压力供给。蒸气通过喷嘴87排出并到换热表面上。吹灰装置84被构造成在第一位置和第二位置之间向里移动在管子86端部的喷嘴87，该第一位置通常在燃烧室16外面，而第二位置靠近换热器64。在第一和第二位置之间的向里运动称为插入行程，而在第二位置和第一位置之间的向外运动叫做抽出行程。
第一组81的吹灰装置84是可操作的，以移动在管子86端部、大致垂直于换热器64并且在换热器64之间的喷嘴87。第二组82的吹灰装置84是可操作的，以移动在管子86端部、大致平行于换热器64并在换热器64之间的喷嘴87。通过换热器64的多个管形开口92被设置成用于使第一组81的吹灰装置84的管子86大致垂直地移动通过该换热器64。换热器64被密封并且管子64可以自由地通过该管状开口92。
当喷嘴87在第一和第二位置之间移动时蒸气从喷嘴87排出。当蒸气接触覆盖在换热表面上的灰时，一部分粉尘被除去。随着时间的推移，剩余灰的堆积可以变成恢复到原来的状态而不能被吹灰装置84除去，可以使用另一种可选的灰清洁方法。上面描述的吹灰装置84利用蒸气，但是，应当指出，本发明不限制于此，并且吹灰装置也可以利用其他的清洁流体，例如，可以包括空气和水蒸气混合物的清洁流体。
清洁系统80的操作由控制系统300控制，该控制系统300基于沉积在一个或多个换热器64上的灰的重量控制清洁系统80。控制系统300在插入和抽出行程的清洁部分期间以及在插入和抽出行程的冷却部分期间还控制供给管子86的蒸气的量或蒸气的流量。控制系统300被编程，以启动吹灰装置84的喷枪91的插入和抽出，也就是，喷枪91的第一和第二位置之间的移动、移动速度以及蒸气的施加和/或蒸气的量。
清洁蒸气通常被施加在喷枪91的插入行程上，但是也可以被施加在抽出或插入和抽出两个程行上。蒸气以除去灰的清洁速率施加，和以防止喷枪91变得太热的冷却速率施加。在常规的克拉夫特锅炉中，蒸气以15,000-20,000Ibs/hr之间的清洁速率或清洁流速施加，和以5,000-6,000Ibs/hr之间的冷却速率或冷却流速施加，以确保吹灰装置喷枪在低于材料温度限制的温度下很好地工作。蒸气可以从基本上为零到百分之百的最大量供应在清洁系统被编程进行递送的任何地方。控制系统300利用图3和图6所示的来自温度测量系统9的喷枪91的管子86的环形壁93的测量温度，控制冷却流速并使冷却流速最小。对于利用在15000-200000Ibs/hr之间的清洁流速、在0和2000Ibs/hr之间的冷却流速的锅炉，可以利用温度测量系统9实现控制冷却流速并使冷却流速最小。
利用蒸气来清洁换热器64成本很高。因此，希望只利用除去灰所需要的蒸气量。行程的冷却部分期间与行程的清洁部分期间相比，使用更少的蒸气。在插入行程或抽出行程期间可以使用蒸气的清洁量或冷却量。在吹灰方法的一个实施方式中，利用单向清洁以减少所用的吹灰蒸气。单向清洁在进入锅炉的插入行程期间利用完全的清洁流速，而在抽出行程期间或在离开过锅炉途中只用冷却流速。在行程的冷却部分期间，蒸气仅仅用来保持吹灰装置84的喷枪91冷却。温度测量系统9用来测量或监控喷枪管86的温度，并且使在行程的冷却部分期间所用的蒸气最少。
当在锅炉14中工作时，清洁系统80利用温度测量系统9连续地测量或监控吹灰装置喷枪管86的温度。控制系统(利用未示出的可变流速控制阀)改变在喷枪91中的冷却流速，以防止喷枪91的管子86的环形壁93的壁温超过预定的温度限制。在清洁系统80的一种示例性方法中，在行程的冷却部分期间供给管子86的蒸气量或蒸气的流量设置为缺省值，该缺省值可以基本上为零，并且如果控制系统300根据来自温度测量系统的9的温度测量确定壁温超过或将要超过预定的温度限制则增加缺省值。
在利用温度测量系统9的一种示例性方法中，蒸气以尽可能低的流率供给，而管子86的温度不升高到高于软化点或软化温度。因此，管子86的最大允许温度是其软化温度。蒸气流率被最小化而基于管子86的直接温度测量使喷枪管温度不超过其软化点。
本文示出了两种类型的温度测量系统9。图1和图3示出了红外温度测量系统11。在本文所示的红外温度测量系统11的实施方式中，红外传感器110设置在锅炉14的外面并靠近锅炉14，因此是可操作的，当它被抽出和插入锅炉14中时，用于测量喷枪管86的环形壁93的壁温。虽然红外传感器110设置在锅炉14的外面，但是由于环形壁93的大的热质量和喷枪从燃烧室快速抽出，它仍然给出壁温的精确的读数。这两个因素导致在此位置被测量的温度基本与在其刚要离开过锅炉14之前喷枪的温度相同。
可以利用其他类型的温度测量系统。一种这样的系统是图5和图6所示的热电偶温度测量系统13。一个或多个热电偶114附着于喷枪管86的环形壁93，以在测量锅炉14里面的环形壁93的壁温。如本文所示，多个热电偶114从环形壁93的内表面130部分地设置在通过环形壁93并沿着环形壁93的长度L的紧配合的孔116中。插塞(plug)124在环形壁93的外表面128和设置在孔116中的热电偶114之间设置在孔116中。热电偶114如焊点126所示，焊接于环形壁93的内表面130。热电偶114连接于安装在喷枪91的外侧部分上的在喷枪91外侧上的变换器(未示出)，不进入锅炉14。变换器将热电偶的温度读数传输给操作吹灰装置84的控制系统300。
虽然本文已经描述了被认为是本发明的优选的示例性的实施方式，但是根据本文的教导，本发明的其他修改对于本领域的技术人员是显而易见的，因此希望在所附的权利要求中保护落入本发明的精神和范围内的所有的这些修改。因此，希望通过美国专利证书得到的是在权利要求中限定的并且有差异的发明。

Claims (29)

1.用于清洁锅炉中的一个或多个换热器的换热表面的清洁系统，所述清洁系统包括：
一个或多个吹灰装置，
每个吹灰装置具有喷枪，所述喷枪具有细长空心管和至少一个在管的远端的喷嘴，和
温度测量系统，用于在所述一个或多个吹灰装置工作期间测量并监控所述管的环形壁的壁温。
2.根据权利要求1所述的清洁系统，还包括：
每个吹灰装置是可操作的，用于在插入和抽出行程中移动所述喷枪进入和离开所述锅炉，
控制系统，用于在行程的清洁部分和冷却部分期间控制通过所述管和喷嘴的蒸气的流动，和
所述控制系统是可操作的，用于根据来自所述温度测量系统的壁温测量，在所述行程的冷却部分期间控制蒸气的流动。
3.根据权利要求2所述的清洁系统，还包括：所述控制系统是可操作的，用于在所述行程的冷却部分期间控制蒸气的流动，以防止壁温测量超过预定的温度限制。
4.根据权利要求3所述的清洁系统，还包括：所述预定的温度限制是所述管的软化点或稍低于所述管的软化点。
5.根据权利要求2所述的清洁系统，还包括：所述温度测量系统是用于测量在所述锅炉外面的环形壁的壁温的红外温度测量系统，并且所述控制系统是可操作的，以在抽出行程期间仅仅提供所述行程的清洁部分。
6.根据权利要求5所述的清洁系统，还包括：所述红外温度测量系统是可操作的，用于测量在所述锅炉外面并靠近所述锅炉的环形壁的壁温。
7.根据权利要求6所述的清洁系统，还包括：控制装置(系统)是可操作的，用于在所述行程的冷却部分期间控制蒸气的流动，以防止所述壁温测量超过预定的温度限制。
8.根据权利要求7所述的清洁系统，还包括：所述预定的温度限制是所述管的软化点或稍低于所述管的软化点。
9.根据权利要求2所述的清洁系统，还包括：所述温度测量系统是用于测量锅炉里面的环形壁的壁温的热电偶温度测量系统。
10.根据权利要求9所述的清洁系统，还包括：所述控制系统是可操作的，用于在所述行程的冷却部分期间控制蒸气的流动，以保持所述壁温测量低于预定的温度限制。
11.根据权利要求10所述的清洁系统，还包括：所述预定的温度限制是所述管的软化点或稍低于所述管的软化点。
12.根据权利要求11所述的清洁系统，还包括附着于所述环形壁的热电偶。
13.根据权利要求12所述的清洁系统，还包括：所述热电偶从所述环形壁的内表面部分地设置在通过所述环形壁并沿着所述环形壁的长度的孔中。
14.操作清洁系统的方法，包括：
利用一个或多个吹灰装置以清洁锅炉中的一个或多个换热器的传热表面，
使清洁流体流动通过每个吹灰装置的喷枪的细长空心管，
从至少一个在靠近所述传热表面的所述管远端的喷嘴排出蒸气或其他热清洁流体，以及
利用温度测量系统在一个或多个吹灰装置工作期间测量并监控所述管的环形壁的壁温。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
在插入和抽出行程中移动喷枪进入和离开所述锅炉，
在所述行程的清洁部分和冷却部分期间控制蒸气或其他热的清洁流体流过所述管和喷嘴，以及
基于来自测量和监控所述管环形壁的壁温的壁温测量，在所述行程的冷却部分期间控制所述蒸气或其它热的清洁流体流过所述管和喷嘴。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：在所述行程的冷却部分期间控制所述蒸气或其它热的清洁流体流过所述管和喷嘴，以保持所述壁温测量低于预定的温度限制。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：所述预定的温度限制是所述管的软化点或稍低于所述管的软化点。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括利用用于测量并监控在所述锅炉外面的环形壁的壁温的红外温度测量系统，并且其中所述行程的冷却部分仅发生在抽出行程期间。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括利用用于测量在所述锅炉外面并靠近所述锅炉的环形壁的壁温的红外温度测量系统。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括在所述行程的冷却部分期间控制蒸气或其它热的清洁流体流过所述管和喷嘴，以保持所述壁温测量低于预定的温度限制。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括：所述预定的温度限制是所述管的软化点或稍低于所述管的软化点。
22.根据权利要求15所述的方法，还包括利用用于测量并监控所述环形壁的壁温的热电偶温度测量系统。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括在所述行程的冷却部分期间控制蒸气或其它热的清洁流体流过所述管和喷嘴，以保持所述壁温测量低于预定的温度限制。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括所述预定的温度限制是所述管的软化点或稍低于所述管的软化点。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括：测量所述环形壁的壁温包括利用附着于所述环形壁的热电偶。
26.根据权利要求24所述的方法，还包括：测量所述环形壁的壁温包括利用热电偶，所述电热偶从所述该环形壁的内表面部分地设置在通过所述环形壁并沿着所述环形壁的长度的孔中。
27.根据权利要求16所述的方法，还包括：在所述行程的冷却部分期间使蒸气或其它热的清洁流体以等于缺省值的流速流过所述管和喷嘴，除非基于来自温度测量系统9的温度测量所述壁温超过或将要超过所述预定的温度限制，并且然后增加该流速高于所述缺省值。
28.根据权利要求26所述的方法，还包括所述缺省值基本上为零。
29.根据权利要求28所述的方法，还包括所述预定的温度限制是所述管的软化点或稍低于所述管的软化点。
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