CN103562635B - 具有用于热固体流的两个外部热交换器的循环式流化床锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及循环式流化床锅炉（10），其包括：燃炉（12）；固体分离器（16）；气体密封件（52）；第一流化床热交换室（72）；以及第二流化床热交换室（74），所述第一流化床热交换室（72）定位在所述第二流化床热交换室（74）上方，其中，被冷却固体从所述第一流化床热交换室（72）送至所述燃炉（12）的下部部分，并且所述第二流化床热交换室（74）定位在所述第一流化床热交换室（72）的两个返回通道（86）的下端部之间。

Description

具有用于热固体流的两个外部热交换器的循环式流化床锅炉

技术领域

本发明涉及循环式流化床锅炉。

本发明的循环式流化床锅炉优选地是例如用于功率生成或工业蒸汽产生的电站直流（OTU）锅炉。当锅炉的尺寸增加时，燃炉的壁表面面积与体积的关系通常变得不利，这可能导致例如定位相对于燃炉的不同装置和管道以及输送并混合不同材料方面的问题。本发明特别涉及解决与大型循环式流化床（CFB）锅炉相关的问题。

背景技术

循环式流化床锅炉包括：用于燃烧燃料的燃炉；连接到燃炉的上部部段的出口通道，用于将烟气排出燃炉；固体分离器，用于经由出口通道从燃炉接收烟气，并且用于从该烟气分离固体颗粒。CFB锅炉在所述固体分离器的下部部分还包括返回通道，用于将借助固体分离器分离的热固体送至燃炉的下部部段，并且在所述固体分离器的上部部分还包括烟气管道，用于将被清洁烟气移除到锅炉的后烟道、到气体清洁装置以及进一步通过烟囱到环境中。出口通道、固体分离器和返回通道形成所谓的外部热循环，其中，夹带在烟气中的热固体首先从燃炉被取出，然后在分离器中被处理，以及最后返回到燃炉。最常见地，在与固体返回通道流连通的外部循环中的某个地方布置有流化床热交换器。该热交换器可被支承到固体分离器的下部部分，使得返回通道将来自热交换器的固体送至燃炉的下部部段。或者热交换器可能由燃炉的侧壁支承，使得返回通道将来自固体分离器的固体送至热交换室。关于流化床热交换器，它们还可布置在内部循环中，即用于从床材料接收沿燃炉壁向下流动的固体。并且，当然地，还存在流化床热交换器，其可从内部或外部循环或者同时从内部和外部循环接收固体。燃炉的下部部段设有用于将燃料、惰性床材料和可能硫磺粘结剂供应到燃炉的机构，燃炉的底部设有用于将包含氧化物的流化气供应到燃炉中的机构，换言之，气体入口通道、风箱和喷嘴。

WO-A2-2007128883讨论了一种用于CFB锅炉的流化床热交换器结构。该WO文献的CFB锅炉（或事实上，流化床热交换器）包括与返回通道连通的串联布置的两个热交换室，使得被支承在固体分离器下方的第一流化床热交换室直接接收（实际上经由气体密封件）来自固体分离器的热固体，并且然后在正常状况中将被冷却固体排出到布置成与燃炉的下部部段的壁连接的第二流化床热交换室。最后，被冷却固体从第二热交换室返回到燃炉。根据WO文献的教导，上部热交换室也设有用于将来自上部热交换室的被冷却固体直接返回至燃炉的机构。两个热交换室都具有布置在热交换室内的内部热交换表面，用于在固体返回到燃炉的下部部段之前冷却该固体。换言之，上述两个热交换室在CFB锅炉的外部固体循环中串联连接。上述提及的WO文献的第二（即，下部）热交换室的具体特征在于，该热交换室可不仅从第一热交换室还从内部循环接收热固体，即，第二热交换室设有入口，该入口布置在燃炉的下部部段的壁中，使得沿锅炉壁向下流动的热固体能够进入第二流化床热交换室。此外，WO文献的热交换器装置设有用于允许来自第一热交换室的固体直接溢流至第二热交换室的机构，以避免流入第一热交换室的固体大于流出第一热交换室的排出流。关于涉及热交换器的该讨论，应当理解的是，大型CFB锅炉通常设有数个并联的固体分离器和热交换器，所述固体分离器和热交换器连接到位于所述锅炉的一侧上或两侧上的返回通道，但是出于清楚目的，在本发明的上述以及下述说明中主要讨论仅具有一个固体分离器的一个热交换器装置。

在WO-A2-2007128883的流化床热交换器的开发中的起点在于能够构造这样的热交换器装置，该热交换器装置由于其多样的控制可能性而可用于几乎全部可能的应用中。该WO文献的构造解决的问题涉及在燃炉的下部部段的外侧壁上的流化床热交换室的传统位置。虽然CFB锅炉增加，但是不可能相应地增加流化床热交换室的尺寸，这是因为增加热交换室的高度会导致流化空气的压力损失增加，并且由于缺乏空间而不可能增加热交换器的宽度。因此，通过将热交换器一个布置在另一个之上而在该WO文献中考虑CFB锅炉的增长尺寸，由此考虑到涉及可用空间和可接受压力损失的需求。并且最后，通过提供具有赋予以数种不同的方式运行该装置的可能性的设备的装置来确保热交换器装置的可调节性或可控性。

然而，当在热交换器装置的设计中考虑全部上述讨论的以及其他因素时，该装置的构造对于一些具体应用来说变得不太优选。出于一些原因，这样的应用是并不需要集中控制的情况或者不想要串联的热交换室的连接的情况。换言之，现有技术装置具有数个缺点或问题。

首先，由于上部热交换室被认为将被冷却固体排出到下部热交换室，热交换室之间的通道延伸在上部热交换室和燃炉之间，从而迫使将第一/上部热交换室充分远离燃炉壁定位。这还意味着，固体分离器必须定位成远离燃炉，因为上部热交换室通常正好定位在分离器下方并且由该分离器支承。

其次，由于下部热交换室被认为能够接收来自上部热交换室的全部被冷却固体，并且还可能接收来自内部循环的一些附加固体，因此清楚的是，下部热交换室的体积应当至少对应于上部热交换室的体积。如联系WO-A2-2007128883已经讨论的，下部热交换室的高度或宽度（沿平行于燃炉壁的方向）都不能被自由地选择，但是流化中的压力损失以及热交换室所占据的空间必须被考虑。上述考虑导致下部热交换室的尺寸大致等于上部热交换室的尺寸。由此，在燃炉的下部部段中几乎不存在用于运行锅炉等所必要的设备的空间，所述设备例如是启动燃烧器、用于测量下部燃炉温度的机构、用于测量床压力的机构、以及用于引入燃料、床材料、次空气、添加物、再循环烟气（如果使用的话）等的机构。

第三，由于各种运行的替代方式，即，在现有技术锅炉的控制选择中，存在用于每种替代方式的管道和通道。例如，上部热交换室具有来自分离器的一个入口、以及数个出口通道和提升通道。一个提升通道和出口通道通向下部热交换器，另一提升通道和出口通道通向燃炉，并且溢流通道通向下部热交换室并且通向燃炉。除了所述通道之外，在上部热交换室的底部还需要用于调节流化的相当复杂的流化机构和控制机构。如果并且当各种通道和管道需要波纹管以分离处于不同温度的部件时，所述波纹管同样与上述已经讨论的各种通道、管道、流化设备和控制系统一起占据空间并且也增加热交换器装置的成本。并且仍进一步地，全部通道和管道需要由水/蒸汽管壁制成并且连接到蒸汽/水系统的其余部分，或者由耐熔材料制成。不考虑制造，这增加了花费，这是因为构造水/蒸汽管壁或者耐熔材料的通道是复杂的并且费时的任务。

出于上述原因，已经发现有必要改进CFB锅炉及其热交换器装置的构造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种循环式流化床锅炉，其中最小化上文讨论的现有技术的问题和缺点。

本发明的另一目的在于提供与现有技术相比更简单的热交换器装置。

本发明的又一目的在于提供一种热交换器装置，该热交换器装置在将锅炉系统的各种部件定位在燃炉的下部部段中方面赋予锅炉设计者更多的替代方式。

为了解决现有技术的上述问题，提供具有新颖热交换器装置的循环式流化床锅炉。所述CFB锅炉包括：用于在快速流化床中燃烧固态含碳燃料的燃炉，所述燃炉具有由水/蒸汽管板制成并且用于蒸发供应到其中的水的壁；邻近于所述燃炉的侧壁布置的固体分离器，用于分离夹带在经由出口通道从所述燃炉的上部部分排出的废气中的固体；气体密封件，用于将被分离的固体的至少一部分传输至第一流化床热交换室，所述第一流化床热交换室布置在所述气体密封件下游并且具有内部热交换表面；第一提升通道具有连接到所述第一流化床热交换室的底部部分的下端部以及连接到第一返回通道的上端部的上端部，用于将固体从所述第一流化床热交换室排出并且将被冷却固体送至所述燃炉的下部部分；第二流化床热交换室，邻近于所述燃炉的下部侧壁布置并且具有内部热交换表面，入口通道，布置在所述第二流化床热交换室与所述燃炉之间，用于将热固体从所述燃炉引至所述第二热交换室，第二提升通道具有连接到所述第二流化床热交换室的底部部分的下端部以及被连接以将固体排出至所述燃炉的下部部分的上端部；所述第一流化床热交换室定位在所述第二流化床热交换室上方；其中，所述第一热交换室在其横向侧上布置有两个第一提升通道和两个第一返回通道，使得所述第二热交换室位于所述两个第一返回通道的下端部之间。

本发明的其他特征在从属权利要求书中被讨论。

由本发明的CFB锅炉的构造和设计得到的优势如下：

CFB锅炉作业所需的设备定位在下部流化床热交换室的侧面；

附图说明

在下文中参考附图来更详细地描述本发明，在附图中：

图1是根据现有技术的设有热交换器装置的循环式流化床锅炉的示意性竖直截面图；

图2是根据本发明的优选实施方式的热交换器装置的示意性竖直截面图；以及

图3是根据图2的本发明的优选实施方式的热交换器装置的示意性后视图。

具体实施方式

图1示出了现有技术的循环式流化床（CFB）锅炉10，其包括：用于燃烧燃料的燃炉12；连接到燃炉12的上部部段的出口通道14，用于将烟气排出燃炉12；以及固体分离器16，用于经由出口通道14从燃炉12接收烟气并且用于从烟气分离固体颗粒。CFB锅炉10在所述固体分离器16的下部部分处还包括返回通道18，用于将借助固体分离器16分离的热固体从该分离器取出并且朝向燃炉12的下部部段；并且在所述固体分离器16的上部部分处还包括烟气管道20，用于将被清洁的烟气移除到锅炉的后烟道、气体清洁装置并且进一步通过烟囱到环境中。出口通道14、固体分离器16和返回通道18形成所谓的外部热循环，其中，夹带在烟气中的热固体首先从燃炉12取出，然后在分离器16中被处理，并且最后返回到燃炉12。燃炉12的下部部段设有机构22，用于将燃料、惰性床材料、次空气和可能的硫磺粘结剂供应到燃炉，并且最后，燃炉的底部设有用于将包含氧化物的流化气供应到燃炉12中的机构，换言之，供应机构包括气体入口通道24、风箱26和喷嘴28。

最常见的，在外部循环的某个地方布置流化床热交换器。流化床热交换器可被支承至固体分离器的下部部分，使得返回通道将来自热交换器的固体送到燃炉的下部部段。或者流化床热交换器可由燃炉的侧壁支承，使得返回通道将来自固体分离器的固体送到热交换室。现有技术还已知，流化床热交换室在内循环中布置在燃炉壁外部，这意味着，流化床热交换室接收沿燃炉壁向下流动的固体，冷却该固体并且将所述固体返回至燃炉。

图1示出了又一发展的构造，其中在固体分离器之间的流化床热交换器包括两个热交换室：第一或上部热交换室36以及布置在所述第一热交换室36下方的第二或下部热交换室38，每个热交换室设有内部热交换表面32、34。第一和第二热交换室36、38的底部设有气体入口管道40、42、风箱44、46以及喷嘴48、50，用于流化在热交换室中形成的固体的床。

在操作中，图1的热交换器运行使得从分离器16流动的热固体沿返回通道18流过气体密封件52进入在第一热交换室36中的颗粒流化床的上部部分中。热交换室的下部部段设有提升通道54，所述提升通道的下部部段具有喷嘴56，所述喷嘴使固体以期望速度流过热交换室36以被进一步排出通过提升通道54的上部部段而进入到第二热交换室38的入口通道58中。第一热交换室36的上部部段优选地设有溢流通道60，如果待通过提升通道54排出的固体的量少于通过分离器16进入热交换室36的固体的量，那么过量固体经由该溢流通道排出到第二热交换室38或回到燃炉12。经过第一热交换室36的固体的量优选地借助提升通道54和溢流通道60能够被调节。

在图1的布置中，下部热交换室38除了下述之外等同于上部热交换室36，在下部热交换室中，进入热交换室的颗粒流从上部（即，第一）热交换室36的提升通道54的上部部分并且从溢流通道60沿入口通道58被接收到下部（即，第二）热交换室38的颗粒流化床的上部部分中。按照第一热交换室36的方式，第二热交换室38同样具有用于排出来自室38的被冷却固体的提升通道61以及溢流通道62，以避免进入热交换室38的固体的量大于提升通道61所能够排出的量。此外，待从下部热交换室38的提升通道61的上部部分以及从溢流通道62排出的固体被传送到燃炉12中。

此外，图1还示出了下部热交换室38的上部部段（优选地，入口通道58）如何包括入口开口64，用于将直接来自燃炉12中的固体的内部循环的固体传送到热交换室38中。入口开口64优选地布置在燃炉的下部部段中的倾斜表面66中，在该情况下热固体流过开口64而进入到热交换室38中，还处于锅炉10的小负载下，在该情况下燃炉12中的固体的流化速度相对低。

通常，燃炉12的壁、以及固体分离器、流化床热交换室还有一些管道和通道的壁由水管板（有时称为膜壁）制成，所述水管板用作所谓的蒸发表面或水加热表面，在所述水管板中，在布置在锅炉后烟道中的节能器（在图1中未示出）中受热的锅炉蒸汽循环的高压供应水被转换为蒸汽，或者供应水被进一步加热。蒸汽温度在蒸发表面之后在过热器中进一步升高，所述过热器的最后一级通常布置在外部热循环的热交换器30中。过热蒸汽被传送到高压蒸汽涡轮机中，与所述高压蒸汽涡轮机连接的发电机用于产生电力。在高效锅炉中，以较低压力离开高压涡轮机的蒸汽被传送到再热器，用于再加热。有利地，再热器的最后一级也可布置在外部热循环的热交换器30中。由此产生的热蒸汽被进一步传送到低压蒸汽涡轮机，以便增加所产生的电力的量以及总设备效率。

然而，如在上文已经阐述的，图1的热交换器装置具有与其相关的大量缺点和问题。

首先，由于上部热交换室被认为将被冷却固体排出到下部热交换室，热交换器之间的通道延伸在上部热交换器和燃炉之间，从而迫使将第一热交换器充分远离燃炉定位。这还意味着，固体分离器必须定位成远离燃炉，因为热交换室通常正好定位在分离器下方并且由该分离器支承。

其次，由于下部热交换室被认为能够接收来自上部热交换室的全部被冷却固体，并且还可能接收来自内部循环的一些附加固体，因此清楚的是，下部热交换室的体积应当至少是上部热交换室的体积。如在WO-A2-2007128883中已经讨论的，下部热交换器的高度或宽度都不能被自由地选择，但是流化中的压力损失以及热交换器所占据的空间必须被优化。这导致下部热交换室的尺寸大致等于上部热交换室的尺寸。由此，在燃炉的下部部段中几乎不存在用于运行锅炉等所必要的设备的空间，所述设备例如是启动燃烧器、用于测量下部燃炉温度的机构、用于测量床压力的机构、以及用于引入燃料、床材料、次空气、添加物、再循环烟气（如果合适的话）等的机构。

第三，由于各种运行的替代方式，存在用于每种替代方式的管道和通道。例如，上部热交换室具有来自分离器的一个入口、以及数个出口通道和提升通道。一个提升通道和出口通道通向下部热交换器，另一提升通道和出口通道通向燃炉，并且溢流通道通向下部热交换室。除了所述通道之外，在上部热交换室的底部还需要用于调节流化的相当复杂的流化机构和控制机构。如果并且当各种通道和管道需要波纹管以分离处于不同温度的部件时，所述波纹管同样与上述已经讨论的众多通道、管道、流化设备和控制系统一起占据空间并且也增加热交换器装置的成本。

在图2和图3中示出了解决上述缺点和问题中的至少一些的方案，图显示用于CFB锅炉10的新颖热交换器装置。热交换器装置70包括两个热交换室72和74。上部热交换室72经由气体密封件52与固体分离器16流体连通。优选地，上部热交换室由分离器来支承，但是由于上部热交换室十分接近燃炉壁，因此热交换室也可由燃炉壁及其加固结构来支承。热交换室72还设有内部热交换表面76以及在该室72的底部处的喷嘴78。在喷嘴78下面存在风箱80，所述风箱用于将流化空气82吹入流化床热交换室中，用于流化从分离器16进入该室的固体。在本发明的该优选实施方式中，上部流化床热交换室72在其两个横向侧上设有两个提升通道84，并且当然地，还设有两个返回通道86用于将被冷却固体送回燃炉12。根据本发明的附加实施方式，返回通道86设有用于将燃料引入固体流中的机构88。

下部流化床热交换室74布置在上部流化床热交换室72下方，并且优选地与燃炉下部部段的壁连接。此外，下部热交换室74位于上部热交换室的返回通道86之间、实际上在返回通道86的下端部之间。热交换室74设有入口通道90，用于经由在优选地倾斜的燃炉壁94中的开口92从燃炉12直接接收热固体。室74还具有内部热交换表面96、底部喷嘴98以及风箱100，流化空气102从该风箱的底部吹入流化床热交换室74中。下部流化床热交换器74还具有提升通道104，来自室74的固体沿所述提升通道被排放到燃炉12的下部部段中。提升通道104需要使其自身的喷嘴、风箱和空气输送件能够将固体提升到提升通道中。

在图2和图3中可看出本发明的优势。已示出分离器16和上部流化床热交换室72定位成与图1的现有技术构造相比更接近燃炉12。这种改进的原因在于图3中所示的事实，提升通道84和返回通道86已经被布置到流化床热交换室72的横向侧，而不像现有技术中那样位于室和燃炉壁之间。又一选择会是将提升通道和返回通道布置成使得它们二者都与室72具有公共壁，使得在如图3的视图中，通道并不并排设置（如图3那样）而是一个接一个地设置，由此空间的使用会是十分有效的，并且会使得有可能使相邻的热交换室（以及分离器）彼此更靠近。

图3清楚地示出了下部流化床热交换室74如何可构造得比上部热交换室72更窄，因为下部热交换室仅接收来自燃炉的高温固体，且因此室74的尺寸（即，宽度）可减少。因此，该构造提供在下部热交换室74的侧面处用于其他设备的空间。在此借助燃炉12的壁94中的开口106被示例出。开口106可设有用于将燃料、床材料、次空气等引入燃炉中的机构，或者设有启动燃烧器。

关于流化床热交换室的热交换表面，正常实践是在蒸汽循环中使用内部表面76和96（图2和图3）。可行选择是在蒸汽被引入高压涡轮机中之前，将上部热交换器72的热交换表面76用作最后过热器级。类似可行选择是使用下部热交换器74的热交换表面96以在蒸汽被引入低压涡轮机之前再加热从高压涡轮机进入的该蒸汽。然而，利用流化床热交换室的膜壁并不是显而易见的。

利用热交换室的壁表面的一个替代方式是将其布置在水循环中，即用于预热待被供应到燃炉的蒸汽循环中的水。例如，一个选择是经由烟气管道中的节能器将水供应到下部流化床热交换室的壁，然后将被预热水引入燃炉壁的蒸发器管中。进一步的选择是将下部热交换室之后的供应水送至上部热交换室的壁，并且仅在这之后将被预热水引至燃炉的蒸发器板。又一选择是将下部热交换室之后的供应水送至从上部热交换室通向燃炉的排出管道的壁，并且在这之后送至上部热交换室的壁。这样，从供应水泵至燃炉壁中的蒸发器管的供应水路如下：供应水泵-节能器-下部热交换室壁-返回通道壁-上部热交换室壁-燃炉的水/蒸汽管板。供应水路还可在节能器和下部热交换室壁之间设有水冷悬吊管。作为进一步的选择，还可能的是上部热交换室的壁可被蒸汽冷却，并且可选地与蒸汽冷却的分离器一体地形成。

已经结合示例性布置在上文描述了本发明，但是本发明还包括所公开实施方式的各种组合或改进。尤其是，分离器和热交换器的数量可与如图1至图3所公开的数量不同。因此，显然的是，本文所公开的示例性实施方式并不旨在限制本发明的范围，而是数个其他实施方式也被包括在本发明中，所述实施方式仅由所附权利要求书和其中的定义来限定。

Claims (9)

1.一种循环式流化床锅炉（10），所述循环式流化床锅炉包括：

-用于在快速流化床中燃烧固态含碳燃料的燃炉（12），所述燃炉具有由水/蒸汽管板制成并且用于蒸发供应到其中的水的壁；

-邻近于所述燃炉（12）的侧壁布置的固体分离器（16），所述固体分离器分离器用于分离夹带在经由出口通道（14）从所述燃炉（12）的上部部分排出的废气中的固体；

-气体密封件（52），所述气体密封件用于将被分离的固体的至少一部分传输至第一流化床热交换室（72），所述第一流化床热交换室布置在所述气体密封件（52）下游并且具有内部热交换表面（76）；

-第一提升通道（84），所述第一提升通道具有下端部和上端部，所述第一提升通道的下端部连接到所述第一流化床热交换室（72）的底部部分，所述第一提升通道的上端部连接到第一返回通道（86）的上端部，用于将固体从所述第一流化床热交换室（72）排出并且将被冷却固体送至所述燃炉（12）的下部部分；

-第二流化床热交换室（74），所述第二流化床热交换室邻近于所述燃炉（12）的下部侧壁布置并且具有内部热交换表面（96），入口通道（90）布置在所述第二流化床热交换室（74）与所述燃炉（12）之间，用于将热固体从所述燃炉（12）引至所述第二流化床热交换室（74），第二提升通道（104）具有连接到所述第二流化床热交换室（74）的底部部分的下端部以及被连接用于将固体排出至所述燃炉（12）的下部部分的上端部；

-所述第一流化床热交换室（72）定位在所述第二流化床热交换室（74）上方；

其特征在于，

所述第一流化床热交换室（72）具有布置在其横向侧的两个第一提升通道（84）和两个第一返回通道（86），使得所述第二流化床热交换室（74）位于所述两个第一返回通道（86）的下端部之间。

2.根据权利要求1所述的循环式流化床锅炉，其特征在于，将燃料输送件、床材料输送件、次空气输送件和启动燃烧器中的一个或多个定位在所述第一返回通道（86）和所述第二流化床热交换室（74）之间。

3.根据权利要求1或2所述的循环式流化床锅炉，其特征在于，所述第一返回通道（86）设置有用于接收待被引入所述燃炉（12）的下部部分中的燃料的机构（88）。

4.根据权利要求1或2所述的循环式流化床锅炉，其特征在于，所述第一和第二流化床热交换室（72,74）具有由水管板制成的壁。

5.根据权利要求4所述的循环式流化床锅炉，其特征在于，所述第一返回通道（86）具有由水管板制成的壁。

6.根据权利要求5所述的循环式流化床锅炉，其特征在于，所述第一流化床热交换室（72）、所述第二流化床热交换室（74）以及所述第一返回通道（86）中的一个或多个的壁被用于加热待被引入所述燃炉（12）的水/蒸汽管板中的水。

7.根据权利要求6所述的循环式流化床锅炉，其特征在于，至所述燃炉（12）的水/蒸汽管板的供应水路如下：供应水泵-节能器-悬吊管-所述第二流化床热交换室（74）的壁-所述第一返回通道（86）-所述第一流化床热交换室（72）的壁-所述燃炉（12）的水/蒸汽管板。

8.根据权利要求6所述的循环式流化床锅炉，其特征在于，至所述燃炉（12）的水/蒸汽管板的供应水路如下：供应水泵-节能器-悬吊管-所述第二流化床热交换室（74）的壁-所述燃炉（12）的水/蒸汽管板。

9.根据权利要求6所述的循环式流化床锅炉，其特征在于，至所述燃炉（12）的水/蒸汽管板的供应水路如下：供应水泵-节能器-悬吊管-所述第二流化床热交换室（74）的壁-所述第一返回通道（86）-所述燃炉（12）的水/蒸汽管板。