CN1117946C - 水冷壁管衬块结构 - Google Patents

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Abstract

一种水冷壁热传递装置，包括一管子衬块和一管子组件，管子组件包括数个平行的、相互间用至少一个连接隔板连接的管子，其特征在于，管子衬块包括：一底部，以及数个平行间置的、从底部往外伸出的凸脊，至少一个凸脊的表面构成了一个接纳连接隔板的表面，连接隔板安装在凸脊的表面，在这些间隔的凸脊之间构成了若干平行的通道，其上固定有隔板的凸脊的伸出使平行的诸管子不与通道直接接触，从而消除了这些平行的管子与通道之间的大的应力集中。

Description

水冷壁管衬块结构
技术领域
本发明涉及耐火管子衬块，这种管子衬块在保持良好的导热率的同时，能避免金属水冷壁管受到热的和高腐蚀性的炉子气体的影响。
发明背景
城市固体废物(MSW)处理厂以高达约1644K(2500°F)的温度在炉中焚烧垃圾。为了回收由这些MSW厂生产的有价值的能量，水通过与炉子相邻的金属水冷壁管，并由于高温而变成蒸汽。图1示出了一包括由连接隔壁M连接的金属管T的传统水冷壁管组件。然后在管子组件中产生的蒸汽用来发动由蜗轮驱动的发电机。然而，MSW工厂还产生出气体产物，如果允许接触金属管的话，这些气体会化学侵蚀那些管子。为了避免这些气体产物直接侵蚀管子，并且还要使这些管子充分供热，在水冷壁管与炉边之间放置保护性的耐火隔板。
虽然这些耐火隔板有助于使金属管的侵蚀降到最小，但它们的使用妨碍了热量从炉边流到水冷壁管。使热流最大是达到锅炉效率的关键。如果耐火隔板没有足够的热传递，耐火材料的朝炉边的表面会变得比设计时所定的要热。随着温度上升，燃料燃烧时的灰烬将紧贴在该表面上，从而形成一绝缘层。一旦这种现象发生，绝缘层变得愈来愈厚，直到热传递变得极弱。然后在燃烧区上面的“烟气”以通常高于设计极限的速度和温度增加，从而在炉子的下游引起腐蚀/侵蚀。此外，灰烬/炉渣层的增加最终可中断灰烬/炉渣层的上升并可构成对燃烧区加煤的炉条面积破坏的主要原因。众所周知，耐火隔板的热传递效率与其厚度成反比。例如，-0.05m(2英寸)厚的耐火材料的热传递效率仅仅是同样材料但厚度为0.025m(1英寸)的隔板的50％。因此，工业上需要使用能使耐火隔板的厚度达到最小并最好尽可能薄的耐火隔板材料。
金属水冷壁管和耐火隔板通常是挂在包容炉子的建筑物的天花板上。由于这种水冷壁管和耐火隔板通常约有30m(100英尺)高，这些悬挂着的水冷壁管和耐火隔板的重量会带来安全问题。因此，安全方面的考虑，进一步激发了使耐火隔板尽可能薄的想法。
虽然工业上已认识到对薄耐火隔板的需要，但也认识到不能做到既减小这些隔板的厚度又不降低性能尤其是已发现，厚度减少得太多(即减至约0.012m(1/2英寸))会削弱隔板上某些点的强度使之不能承受管子在高温时所产生的应力。因此，工业上通常使用横截面最小部分的厚度至少为0.022至0.025m(0.875至1.00英寸)的隔板。
MSW工业在致力于保持良好的热传递时，同时能保护金属水冷壁管的过程中，已研制了多种类型的耐火结构。其中一种耐火材料称为“单块”耐火材料。把陶瓷材料直接喷在散布着的水冷壁管上，从而制造出一单块耐火材料。然而，已经知道一些单块耐火材料具有低导热率、低强度和粘结困难的缺陷，这些缺陷导致炉渣过多堆积，阻碍高导热，从而降低效率。
另一种类型的商用耐火材料是管瓦或管子衬块结构。图2示出一传统的管子衬块结构。管子衬块一般是一呈正方形或矩形的耐火瓦(通常不大于高度L0.2至0.3m(8～12英寸)×宽度W0.2至0.3m(8～12英寸)×厚度D0.025m(1英寸))，对其具有通道C和凸脊R的后表面作些变动以适合于与水冷壁管的结构配合。当以一类似于砌砖的方式把这些管子衬块组合起来时，即把一外周覆盖有砂浆的管子衬块放在适当的位置，另一块管子衬块放在第一块管子衬块的上面或旁边，一耐火壁便建成了。这种组合一直连续到所需要的壁构成。通常在连接隔板M上增加一柱螺栓S或直接使柱螺栓通过管子衬块一凸脊中的孔H加到水冷壁管上，并通过一螺钉A紧固柱螺栓(stud)S，以固定管子衬块和管子组件，见图3。管子衬块的通道一般不会直接与所接纳的金属管子接触。相反，通道和管子被一砂浆内层(图未示)粘结在一起。虽然砂浆在管子与管子衬块之间形成良好的粘结，但其本身的导热率是很差的，所以阻止了热量从炉子流到管子。总的来说，与单块结构相比，管子衬块具有高强度、良好粘结和较高的导热率等优点。
一传统的水冷壁管衬块结构包括挂在管子组件顶部的诸管子衬块。例如，EP-A-281863专利公开了一种水冷壁管衬块结构，其中的管子组件具有伸出管子的“短凸片”，而管子衬块压在这些短凸片的顶部。因此，短凸片成为把管子衬块挂在其上的装置。由于悬挂着的管子衬块基本上悬挂在管子旁边，管子衬块的下面部分没有受迫与管子组件紧密接触。因此，如果在管子与管子衬块之间没有砂浆，则会出现空隙，使导热率下降并引起相应的腐蚀。
当传统的管子组件由中心间距为0.1m(4英寸)、直径为0.076m(3英寸)的金属管组成时，单个管子衬块的尺寸一般为高度0.2m(7-7/8英寸)左右、宽度0.2m(7-7/8英寸)左右、厚度0.025m(1英寸)。这种间隔在管子衬块与管子衬块之间形成紧密的配合(即约为0.003m(1/8英寸))，这样减少了空隙扩展的机会，妨碍管子与管子衬块组件之间的热流。
图4示出一商用的耐火管子衬块的结构。除在管子衬块的周围有一槽之外，这种结构类似于上述的传统已有技术的结构。虽然这种结构具有已讨论过的胜过单块隔板的优点，然而，它的厚度至少约0.025m(1英寸)，所以热量流动差，分量重。
另一种商用管子衬块结构是搭叠(ship-lap)结构。原来用在循环硫化床锅炉(circulating fluidized bed boiler)的如图5所示的搭叠结构有一联锁结构，该结构能避免小颗粒(如砂子)渗入相邻管子衬块之间的间隙。然而，联锁结构使搭叠结构制造昂贵。此外，一般搭叠结构的厚度至少约为0.022m(0.875英寸)。虽然这种较大的厚度为防止管子衬块的破裂提供了安全措施，但也严重地妨碍了热流通过耐火材料，而且使管子衬块很重。
在努力提高管子衬块结构的导热率过程中，转让给诺顿公司的美国专利№5,154,139(Johnson的专利)揭示了一种厚度为0.012m(1/2英寸)、在通道上具有肋的管子衬块。如图6所示，当该带有肋的管子衬块与管子衬块组件相对放置时，肋与管壁接触。这种直接接触使得热量从低导热率的砂浆旁流过，所以样提供了比其它传统管子衬块结构高的导热率。这种结构的厚度较薄(即0.012m(1/2英寸))，也增加了其导热性。然而发现，Johnson的专利的商用实施例在本领域失败了。具体地说，在图6中，管子衬块中用“X”标记的地方的裂纹开始扩展。
因此，需要一种既轻又可靠且具有优良导热性的耐火管子衬块。
发明概要
根据本发明，提供了一种水冷壁热传递装置，该装置包括一管子衬块和一管子组件，管子组件包括数个平行的、相互间用至少一个连接隔板连接的管子，其特征在于，管子衬块包括：
a)一底部，以及
b)数个平行间置的、从底部往外伸出的凸脊，至少一个凸脊的表面构成了一个接纳连接隔板的表面，连接隔板安装在凸脊的表面，在这些间隔的凸脊之间构成了若干平行的通道，其上固定有隔板的凸脊的伸出使该凸脊的所述表面到所述底部的距离至少超过所述隔板的接触凸脊表面的下表面与所述管子垂直方向的底端之间的距离，使平行的诸管子不与通道直接接触，从而消除了这些平行的管子与通道之间的大的应力集中。
根据本发明，还提供一种耐火管子衬块，它包括：
a)一底部，以及
b)三个对齐的从底部向上伸出的间隔凸脊，在间隔的凸脊与凸脊之间构成放置管子的若干通道，中心间隔凸脊的表面接纳连接管子的隔板，所述中心间隔凸脊的表面到所述底部的距离至少超过所述隔板的接触所述凸脊表面的下表面与所述管子垂直方向的底端之间的距离，而且该中心间隔凸脊从底部伸出的距离至少比旁边的凸脊长0.013m左右。
根据本发明，提供一种水冷壁热传递装置，它包括多个管子衬块和一管子组件，管子组件包括数个平行的、相互间用至少一个连接隔板连接的管子，其特征在于，每一管子衬块包括：
a)一底部，以及
b)三个对齐的从底部向上伸出的间隔凸脊，在间隔的凸脊与凸脊之间构成放置管子的若干通道，中心间隔凸脊的表面接纳连接管子的隔板，所述中心间隔凸脊的表面到所述底部的距离至少超过所述隔板的接触凸脊表面的下表面与所述管子垂直方向的底端之间的距离，而且该中心间隔凸脊从底部伸出的距离至少比旁边的凸脊长0.013m左右，
所述诸管子衬块是矩形的，并相互间相隔一间隙而相邻组合在一起，所述间隙至少有0.006m宽。
附图简要说明
图1是传统的管子组件的立体图。
图2是已有技术通用的管子衬块结构的立体图。
图3是一管子衬块组件固定于一传统管子衬块的侧视图。
图4是一已有技术结构的立体图。
图5是一已有技术的搭叠结构的立体图。
图6是一已有技术的Johnson专利结构的侧视图。
图7是本发明一实施例的侧视图。
图8是本发明固定于一管子组件的一实施例的剖视图。
图9是本发明的另一个实施例，在该实施例中，柱螺栓的外面套有一套管，在容纳螺柱的的管子衬块孔上放置一盖子。
图10是本发明的一个实施例，在该实施例中，中心凸脊没有遍布管子衬块的整个长度。
发明的详细描述
暂时不从理论上来探讨，可以相信Johnson专利的商用实施例的损坏在于管子衬块与金属管之间的接触点具有较大的应力集中。通过提高管子衬块的中心凸脊，使管子组件的连接隔板座落在中心凸脊上(这样可避免管子衬块与金属管之间的直接接触)，意外地发现，即使管子衬块底部的厚度薄至0.019m(0.75英寸)，也不会出现上述的损坏。
现在参阅图8，当管子衬块50正对管子组件60放置时，组件60的柱螺栓穿过中心凸脊2中的孔5，使中心凸脊2的水平铝平面3固定于管子组件60的连接隔板62上。由于中心凸脊2的高度(定义为水平面3到管子衬块前表面的距离)超过管子衬块50底部的厚度和管子61半径的总和，管子61不可能与通道4紧密接触。管子61与通道4之间的间隙最好约在0.003至0.01m(1/8至3/8英寸)之间。当紧固柱螺栓63时，管子组件60对填充砂浆(图未示)的管子衬块50的通道4施加力，从而消除了空隙。万一在延期使用期间，连接件即柱螺栓63和螺柱锈蚀的话，砂浆可使管子衬块50与管子组件60保持接触。
虽然管子衬块的尺寸根据最终的使用需要和所使用的炉子的管子尺寸而变动，各个管子衬块的大小一般为宽度0.15至0.3m(6至12英寸)、高度0.15至0.3m(6至12英寸)、底部厚度0.016至0.019m(0.625至0.750英寸)左右。然而在一些实施例中，所使用的管子组件的管子直径为0.076m(3英寸)，中心间距为0.1m(4英寸)，管子衬块前表面的尺寸仅仅为0.196m×0.196m(7-3/4×7-3/4英寸)。不从理论上来探讨，可以相信传统的0.2m×0.2m(7-7/8×7-7/8)英寸结构在各个管子衬块之间形成-0.003m(1/8英寸)的间隙，而这个间隙没有为管子衬块的热膨胀留下足够的空间，从而使管子衬块易于过早破裂。相信本发明的该实施例尺寸的减小(即在各个管子衬块之间提供-0.006m(1/4英寸)的间隙)会进一步降低作用在各个管子衬块上的应力。管子衬块50底部的厚度65一般在0.013m至0.025m(0.5至1.0英寸)左右，最好在0.013m至0.01 9m(0.5至0.750英寸)左右。可以相信，厚度的下降提供了超过传统的厚度为0.025m(1英寸)的管子衬块的约33％的热传导增量。尺寸的减小还降低了管子衬块的重量。在一个0.196m×0.196m×0.019m(7-3/4×7-3/4×0.750英寸)的实施例中，管子衬块基本上由氮氧化合物或氮化物粘结的碳化硅组成，管子衬块的重量只有28.86N(6.5磅)左右。
在一些有三个分开的凸脊的实施例中，中心的凸脊比旁边的凸脊长，一般比旁边的凸脊长0.013m至0.025m(0.5至1.0英寸)。
由于在使用管子衬块的初级燃烧区(第一阶段)所产生的温度特别高，管子衬块一般由碳化硅组成，最好是氮氧化合物、氮化物或氧化物粘结的碳化硅。但也可采用其它的合适耐火材料，例如铝、氧化锆和碳。除了耐火材料本身外，管子衬块还包括一具有高导热率的粘结组份。一较佳管子衬块的成份包括约80至95％的碳化硅和约5至20％的诸如一以氮化物或氧化物为主材料的粘结剂。更具体地讲，管子衬块可由CN-163、CN-183、CN-127或CN-101中的任何一种制成，每一种都可从马萨诸塞州伍斯特的诺顿公司购得，或是可比较的耐火材料。
一般用于管子衬块制造的任何传统技术可用来制造本发明的管子衬块。在较佳实施例中，含有碳化硅颗粒和粘结剂的化合物被放入一干压机中，并被压成一个湿体，然后在一具有氧气或氮气的隧道式窑中干燥焙烧该湿体，成为一耐火材料。
用于本发明的耐火泥浆可以是任何合适的合成物，最好是能在管子衬块与水冷壁管之间提供最高的导热率和热传递。合适的砂浆合成物一般以碳化硅为主要成份，再包括能牢固粘结管子衬块和金属水冷壁管的粘结剂。在较佳实施例中，砂浆包括铜金属和碳化硅。更具体地讲，砂浆是型号为MC-1015含有铜的砂浆，这种砂浆可从马萨诸塞州伍斯特的诺顿公司购得。
虽然没有示出，但另外的管子衬块可放置在管子组件的相邻部分。根据锅炉的尺寸，管子衬块一般可上、下和两侧放置，当初级燃烧区的水冷壁管需要保护时以覆盖这些水冷壁管中的大部分。在一传统的MSW工厂，这些管子衬块通常被用来覆盖所有的受到燃烧物破坏的水冷壁管。
在本发明的一些实施例中，一陶瓷套管10套在把管子衬块50固定到管子组件60上的柱螺栓63外面，一孔盖11置于管子衬块中的容纳柱螺栓63的孔上，见图9。可以相信，这些变异可以使柱螺栓保持相对冷却，从而延缓螺柱的腐蚀。
在一些实施例中，管子衬块凸脊20的长度没有遍布管子衬块的长度，而仅仅在孔5的附近延伸，见图10。可以相信，这种结构对降低用在大炉子中的管子衬块上的应力是有利的，其中长管子的热膨胀会对管子衬块产生一轴向的不均匀的力。在某些实施例中，凸脊的长度小于50％左右的底部的长度。
在一些实施例中，通过把一耐火条(一般为(0.013m×0.165m×0.015m)(0.5×6.5×0.625英寸))放置在一传统管子衬块的中心凸脊的水平面上，来改变一传统的管子衬块耐火材料装置。业已发现，这种改变也具有所需要的效果，即把耐火的管子衬块轻轻的脱离水冷壁管的表面，使得水冷壁管的较大的热膨胀所引起的较大的应力降为最小，从而提高管子衬块装置的完整性。

Claims (18)

1.一种水冷壁热传递装置，它包括一管子衬块和一管子组件，管子组件包括数个平行的、相互间用至少一个连接隔板连接的管子，其特征在于，管子衬块包括：
a)一底部，以及
b)数个平行间置的、从底部往外伸出的凸脊，至少一个凸脊的表面构成了一个接纳连接隔板的表面，连接隔板安装在凸脊的表面，在这些间隔的凸脊之间构成了若干平行的通道，其上固定有隔板的凸脊的伸出使该凸脊的所述表面到所述底部的距离至少超过所述隔板的接触凸脊表面的下表面与所述管子垂直方向的底端之间的距离，使平行的诸管子不与通道直接接触，从而消除了这些平行的管子与通道之间的大的应力集中。
2.如权利要求1所述的水冷壁热传递装置，其特征在于，诸凸脊横跨底部的长度。
3.如权利要求1所述的水冷壁热传递装置，其特征在于，凸脊延伸的长度小于底部长度的50％左右。
4.如权利要求1所述的水冷壁热传递装置，其特征在于，一从连接隔板伸出的柱螺栓插入一从凸脊的表面穿过管子衬块的孔，使连接隔板固定到凸脊的表面。
5.如权利要求4所述的水冷壁热传递装置，还包括一在管子衬块的底部覆盖孔的孔盖。
6.如权利要求4所述的水冷壁热传递装置，还包括一套在柱螺栓外面的陶瓷套管。
7.如权利要求1所述的水冷壁热传递装置，在所述管子与所述通道之间的间隙约在0.003m与0.01m之间。
8.如权利要求1所述的水冷壁热传递装置，其特征在于，管子衬块底部的厚度约在0.016m与0.019m之间。
9.如权利要求1所述的水冷壁热传递装置，其特征在于，其上固定有连接隔板的间置凸脊从底部伸出的距离比其它的间置凸脊长。
10.如权利要求9所述的水冷壁热传递装置，在管子与通道之间有一个约在0.003m与0.01m之间的间隙。
11.一耐火管子衬块，包括：
a)一底部，以及
b)三个对齐的从底部向上伸出的间隔凸脊，在间隔的凸脊与凸脊之间构成放置管子的若干通道，中心间隔凸脊的表面接纳连接管子的隔板，所述中心间隔凸脊的表面到所述底部的距离至少超过所述隔板的接触所述凸脊表面的下表面与所述管子垂直方向的底端之间的距离，而且该中心间隔凸脊从底部伸出的距离至少比旁边的凸脊长0.013m左右。
12.如权利要求11所述的管子衬块，其特征在于，通道的形状为半圆形。
13.如权利要求11所述的管子衬块，其特征在于，凸脊横跨底部的长度。
14.如权利要求11所述的管子衬块，其特征在于，凸脊延伸的长度小于底部长度的50％左右。
15.如权利要求11所述的管子衬块，其特征在于，管子衬块还包括：
一在中心的间隔凸脊中的孔，从基本水平的表面穿过管子衬块的底部。
16.如权利要求11所述的管子衬块，其特征在于，底部的厚度约在0.013m与0.025m之间。
17.如权利要求11所述的管子衬块，其特征在于，底部的厚度约在0.016m与0.019m之间。
18.一种水冷壁热传递装置，它包括多个管子衬块和一管子组件，管子组件包括数个平行的、相互间用至少一个连接隔板连接的管子，其特征在于，每一管子衬块包括：
a)一底部，以及
b)三个对齐的从底部向上伸出的间隔凸脊，在间隔的凸脊与凸脊之间构成放置管子的若干通道，中心间隔凸脊的表面接纳连接管子的隔板，所述中心间隔凸脊的表面到所述底部的距离至少超过所述隔板的接触凸脊表面的下表面与所述管子垂直方向的底端之间的距离，而且该中心间隔凸脊从底部伸出的距离至少比旁边的凸脊长0.013m左右，
所述诸管子衬块是矩形的，并相互间相隔一间隙而相邻组合在一起，所述间隙至少有0.006m宽。
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