DE112014002165T5

DE112014002165T5 - Wärmeübertragungstauchrohr für Wirbelschichtboiler und Wirbelschichtboiler

Info

Publication number: DE112014002165T5
Application number: DE112014002165.2T
Authority: DE
Inventors: Hideyuki Sakamoto; Yasuhisa Honda; Hirokazu Kajiwara; Toshio Kojima; Akira Tsuchiya
Original assignee: Ebara Environmental Plant Co Ltd
Current assignee: Ebara Environmental Plant Co Ltd
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2016-01-21
Also published as: WO2014175216A1; CN204114927U; CN104121580B; CN104121580A; JPWO2014175216A1; KR20160003637A; JP6255011B2; KR102222667B1

Abstract

Ein Wärmeübertragungstauchrohr für einen Wirbelbettboiler wird vorgesehen, welches einen ausreichenden Wärmeübertragungseffekt hat, und welches eine Korrosion durch geschmolzenes Salz unterdrückt, so dass ein Ausmaß der Verringerung der Wanddicke davon gering ist und wobei es hervorragende Haltbarkeit zeigt. Ein Wärmeübertragungstauchrohr 5 weist Folgendes auf: ein inneres Rohr 6, in dem ein Strömungsmittel fließt (Wasser, gesättigtes Wasser, Dampf, ein binäres Strömungsmittel oder ähnliches); eine Finne 37 des inneren Rohres als ein Befestigungsteil, welche an einem Außenumfang des inneren Rohres 6 vorgesehen ist; und ein Schutzelement 8, welches an einer Außenumfangsseite des inneren Rohres 6 vorgesehen ist, um einen Spalt 7 von 0,25 bis 0,75 mm dazwischen zu bilden, und das das innere Rohr 6 schützt. Ein Paar von Finnen 37 des inneren Rohres ist an der Außenumfangsfläche des inneren Rohres durch Schweißen befestigt, und das Schutzelement 8 ist in ähnlicher Weise durch Schweißen an den Finnen 37 des inneren Rohres befestigt. Mehrere Schlitze 81 mit einer Breite von 0,5 mm sind in Intervallen von 50 mm im Schutzelement 8 ausgebildet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein eingetauchtes Wärmeübertragungsrohr bzw. Wärmeübertragungstauchrohr, welches Verbrennungswärme wiedergewinnt, welche erzeugt wird, wenn ein Brennstoff, wie beispielsweise aus Abfall erzeugter Brennstoff bzw. Abfallbrennstoff (RDF = refused derived fuel) oder Abfallstoffe mit hohem Brennwert, die Biomasse und Plastik enthalten, verbrannt werden, und sie bezieht sich auch auf einen Wirbelschichtboiler, der das Wärmeübertragungstauchrohr aufweist.
Technischer Hintergrund
In den letzten Jahren gibt es zunehmende Anforderungen dahingehend, dass vollständig Verwendung von Energieressourcen gemacht wird, um auf Probleme anzusprechen, wie beispielsweise einen steilen Anstieg des Preises von fossilen Brennstoffen und die globale Erwärmung. Folglich nimmt die Wichtigkeit eines Systems zu, welches Leistung unter Verwendung von Wärme erzeugt, welche durch Verbrennen von Abfallbrennstoffen oder Abfallstoffen erzeugt wird, und zwar als ein System zum Ausführen einer thermischen Rückgewinnung. Als ein Wärmewiedergewinnungsverfahren für ein solches Leistungserzeugungssystem ist ein Verfahren verfügbar, welches eingetauchte Wärmeübertragungsrohre bzw. Wärmeübertragungstauchrohre verwendet, um thermische Energie wiederzugewinnen, welche erzeugt wird, wenn ein Brennstoff, wie beispielsweise ein aus Abfall gewonnener Brennstoff bzw. RDF oder Abfallstoffe in einem Boiler mit fluidisiertem Bett bzw. Wirbelschichtboiler verbrannt wird. Weil Abfallbrennstoff und Abfallstoffe Chlor enthalten, bewegt sich gemäß diesem Verfahren, wenn ein Brennstoff, wie beispielsweise Abfallbrennstoff oder Abfallstoffe in einem Wirbelschichtboiler verbrannt werden, einen Teil des Chlors zu einem fluidisiertem Medium bzw. Wirbelmedium (fluidisierter Sand) und wird auf den Wärmeübertragungstauchrohren abgelagert, und daher sind die Wärmeübertragungstauchrohre einer Korrosion durch geschmolzenes Salz unterworfen. Zusätzlich zu einer solchen Korrosion durch geschmolzenes Salz werden die Wärmeübertragungstauchrohre auch durch die intensive Fluidisierung bzw. Verwirbelung des Wirbelmediums (fluidisierter Sand) abgetragen. Folglich gibt es das Problem, dass ein Ausmaß eines Wanddickenverlustes (Ausmaß der Verringerung der Dicke der Rohrwand) der Wärmeübertragungstauchrohre groß ist.
Um den zuvor erwähnten Verlust an Wanddicke zu verringern, sind herkömmlicher Weise thermische Sprühbehandlungen einer selbst fließenden Legierung (Ni-basiert) oder das Vorsehen eines Überzuges aus rostfreiem Stahlmaterial usw. bezüglich der Außenumfangsfläche des Wärmeübertragungstauchrohres ausgeführt worden, welches in einem Wirbelbett angeordnet werden soll. Jedoch haben solche Maßnahmen keinen ausreichenden Effekt erzeugt.
Daher ist eine verschleißbeständige Struktur eines Wärmeübertragungsrohres bekannt, wobei ein Wärmeübertragungsrohr mit Vorsprüngen und einem feuerfesten Material (Anti-Verschleißmaterial) bedeckt ist, um dadurch das Ausmaß der Wanddickenverringerung des Wärmeübertragungsrohres zu verringern (siehe Patentliteratur 1). Da jedoch der Wärmeübertragungskoeffizient durch das Beschichten des Wärmeübertragungsrohres mit dem feuerfesten Material verringert werden würde, fordert eine solche Struktur eine große Wärmeübertragungsfläche, um einen adäquaten Wärmeübertragungseffekt zu erhalten.
Andererseits sind als Wärmeübertragungsrohr, welches den Dickenverlust unterdrücken bzw. verringern würde, auch Strukturen bekannt, in denen ein Schutzelement an einem äußeren Teil des Wärmeübertragungsrohres vorgesehen ist, oder wobei das Wärmeübertragungsrohr selbst aus einem verschleißbeständigen Stahl oder rostfreien Stahl mit hohem Chromgehalt geformt ist, der einen hervorragenden Verschleißwiderstand zeigt (siehe Patentliteratur 2). Wenn jedoch ein Schutzelement an dem äußeren Teil eines Wärmeübertragungsrohres vorgesehen ist, tritt ein Problem dahingehend auf, dass die Wärmeübertragung behindert wird. Wenn das Wärmeübertragungsrohr selbst aus einem Stahl oder rostfreien Stahl mit hohem Chromgehalt geformt ist, gibt es weiterhin Bedenken bzw. Probleme dahingehend, dass die Haltbarkeit des Wärmeübertragungsrohres unzureichend sein wird, wenn es in einer Umgebung verwendet wird, in welcher das Wärmeübertragungsrohr auch einer Korrosion durch geschmolzenes Salz unterworfen ist, und zwar gleichzeitig dazu, dass es Verschleiß unterworfen ist.
Liste des Standes der Technik
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Japanisches Patent Veröffentlichungsnummer 5-187789
Patentliteratur 2: Japanisches Patent Veröffentlichungsnummer 7-217801

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wenn ein fluidisiertes Bett bzw. Wirbelbett bei einer Temperatur in einem Bereich von 700 bis 850°C betrieben wird, bildet im Allgemeinen das zuvor erwähnte Chlor, welches sich in das Wirbelmedium (fluidisierter Sand) bewegt hat, eutektisches Salz mit Alkalimetallen (Na, K oder ähnliches), die in dem Brennstoff enthalten sind. Eine Kondensationstemperatur, bei der das eutektische Salz in seinem geschmolzenen Zustand kondensiert, ist beispielsweise zwischen 650 und 700°C. Wenn entsprechend die Oberflächentemperatur des Wärmeübertragungstauchrohres höher wird als die Kondensationstemperatur des eutektischen Salzes, wird eine Kondensation des eutektischen Salzes auf der Oberfläche des Wärmeübertragungstauchrohres unterdrückt, und eine Verringerung der Rohrwanddicke, welche durch Korrosion durch geschmolzenes Salz verursacht wird, nimmt ab.
Bezüglich der oben beschriebenen allgemeinen Sichtweise haben die Erfinder im Laufe eines kontinuierlichen Betriebs eines Wirbelschichtboilers über eine lange Periode unter Verwendung von verschiedenen Arten von Wärmeübertragungstauchrohren die folgenden Kenntnisse gewonnen. Das heißt, in einem Fall, wo die Haltbarkeit eines Wärmeübertragungstauchrohres durch Vorsehen eines Schutzelementes vergrößert wird, welches aus rostfreiem Stahl gemacht ist, wie beispielsweise aus SUS310S, und zwar am Äußeren des Stahlrohres eines Boilers, das als ein inneres Rohr des Wärmeübertragungstauchrohres dient, ist das Ausmaß bzw. der Grad der Korrosion in einem relativ hohem Temperaturbereich des Schutzelementes, welches nicht das innere Rohr berührt, niedrig, obwohl ein Bereich des Schutzelements mit relativ niedriger Temperatur, der das innere Rohr berührt, Korrosion unterworfen ist. Basierend auf dieser Erkenntnis, haben die Erfinder entdeckt, dass eine Wanddickenverringerung, welche durch Korrosionsverschleiß verursacht wird, in einem Fall verringert werden kann, wo die Oberflächentemperatur eines Schutzelementes des Wärmeübertragungstauchrohres eine vorbestimmte Temperatur überschreitet (beispielsweise 450°C).
Andererseits ist es die ursprüngliche Funktion eines Wirbelschichtboilers, schnell Wärme eines Wirbelmediums auf Boilerwasser oder ähnliches zu übertragen, welches durch die Wärmeübertragungstauchrohre fließt, und zwar durch Vergrößern der Gesamtwärmeübertragungsleistung der Wärmeübertragungstauchrohre.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wärmeübertragungstauchrohr für einen Wirbelschichtboiler vorzusehen, welches eine ausreichende Wärmeübertragungsmenge sicherstellt und welches hervorragende Haltbarkeit zeigt, indem es die Oberflächentemperatur des Wärmeübertragungstauchrohres gleich oder höher als eine vorbestimmte Temperatur hält.
Lösung des Problems
Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, wird ein Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung so konfiguriert, dass es in einem fluidisierten Bett bzw. Wirbelbett eines Wirbelschichtboilers angeordnet ist. Das Wärmeübertragungstauchrohr weist Folgendes auf: ein inneres Rohr, das so konfiguriert ist, dass ein Strömungsmittel durch seine Innenseite fließt; ein Schutzelement, das an einem äußeren Teil des inneren Rohres angeordnet ist; und zumindest ein Befestigungsglied, welches das Schutzelement an dem inneren Rohr befestigt; wobei ein Spalt zwischen einer Außenseite des inneren Rohres und an der Innenseite des Schutzelementes vorgesehen ist; und wobei das Befestigungsglied mit sowohl dem inneren Rohr als auch dem Schutzelement verbunden ist.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Befestigungsglied an sowohl das innere Rohr als auch das Schutzelement geschweißt.
In dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Befestigungsglied ein Abstandshalter, der in dem Spalt angeordnet ist.
In dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Befestigungsglied eine Finne des inneren Rohres, die so ausgeformt ist, dass sie aus der Außenseite des Schutzelementes herausragt.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das innere Rohr einen geraden Rohrteil auf, der in einer geradlinigen Form ausgebildet ist, und einen gebogenen Rohrteil, der in einer gekrümmten Form ausgebildet ist, und es ist in einer gemeinsamen Ebene zu einer Schlangenform bzw. einem Mäander geformt.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Finne des inneren Rohres des Wärmeübertragungstauchrohres so angeordnet, dass die Finne des inneren Rohres und eine Finne des inneren Rohres eines benachbarten Wärmeübertragungstauchrohres zueinander hinweisen.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die Finne des inneren Rohres des Wärmeübertragungstauchrohres und eine Finne des inneren Rohres eines benachbarten Wärmeübertragungstauchrohres aneinander geschweißt.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Finne des inneren Rohres eines Wärmeübertragungstauchrohres an ein inneres Rohr eines benachbarten Wärmeübertragungstauchrohres geschweißt.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat das Schutzelement einen Schlitz in einer Umfangsrichtung.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine schwarze Körperfarbe auf eine Innenfläche des Schutzelementes aufgebracht.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Material des Schutzelementes rostfreier Stahl.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der rostfreie Stahl SUS304, SUS316 oder SUS310S.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Breite des Spaltes in einem Bereich von 0,25 mm bis 4,00 mm.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Breite des Spaltes in einem Bereich von 0,25 mm bis 0,75 mm.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Füllmaterial in den Spalt gefüllt, und ein Füllverhältnis davon ist in einem Bereich von 0,5 bis 0,9.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Schutzelementfinne an einer Außenseite des Schutzelementes vorgesehen.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Schutzelementfinne zu einer Klingenform geformt.
Bei dem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Schutzelementfinne zu einer Stiftform geformt.
Ein Wirbelschichtboiler gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Wärmeübertragungstauchrohr und eine Luftdiffusionsdüse auf, welche Fluidisierungsluft bzw. Wirbelschichtluft in das Wirbelbett einleitet, wobei die Fluidisierungsluft bewirkt, dass ein Wirbelmedium in dem Wirbelbett fließt und auch einen Brennstoff verbrennt; und wobei das Wärmeübertragungstauchrohr Wärme wiedergewinnt, die durch die Verbrennung erzeugt wird.
Bei dem Wirbelbettboiler gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Wirbelbett eine Brennkammer zum Verbrennen von Brennstoff auf, und eine Wärmewiedergewinnungskammer, in welcher das Wärmeübertragungsrohr installiert ist, und die Verbrennungswärme wiedergewinnt; und wobei das fluidisierte Medium bzw. Wirbelmedium durch die Brennkammer und die Wärmewiedergewinnungskammer zirkuliert.
Bei dem Wirbelbettboiler gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Temperatur in dem Wirbelbett während der Verbrennung in einem Bereich von 700 bis 900°C.
In dem Wirbelbettboiler gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Menge der Fluidisierungsluft in einem Bereich so dass gilt 2,0 ≤ u₀/u_mf ≤ 4,0.
Bei dem Wirbelbettboiler gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Befestigungsglied an einer Stelle angeordnet, die von dem Schutzelement verdeckt wird, wenn man aus einer Flussrichtung des Wirbelmediums schaut.
In dem Wirbelschichtboiler gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Oberflächentemperatur des Schutzelementes in dem Wirbelbett bzw. fluidisierten Bett während der Verbrennung in einem Bereich von 450 bis 800°C.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Wirbelbettboiler mit einem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche einen weiteren Wirbelbettboiler mit Wärmeübertragungstauchrohren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
3a ist eine schräge perspektivische Ansicht eines Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3b ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schräge perspektivische Ansicht des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5a ist eine schräge perspektivische Ansicht des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
5b ist eine schräge perspektivische Ansicht des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6a ist eine schräge perspektivische Ansicht des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
6b ist eine schräge perspektivische Ansicht des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine schräge perspektivische Ansicht des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine schräge perspektivische Ansicht des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine schräge perspektivische Ansicht des Wärmeübertragungstauchrohres 5, welches in einem Wirbelschichtboiler angeordnet ist.
10 ist eine Querschnittsansicht des Wärmeübertragungstauchrohres 5 zum Beschreiben einer Position von Finnen 37 des inneren Rohres des Wärmeübertragungstauchrohres 5, das in einem Wirbelbettboiler angeordnet ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele eines eingetauchten Wärmeübertragungsrohres bzw. Wärmeübertragungstauchrohres eines Wirbelschichtboilers gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf 1 bis 10 beschrieben. In 1 bis 10 werden identische oder entsprechende Bestandteilselemente durch identische Bezugszeichen bezeichnet, und eine wiederholte Beschreibung von solchen Bestandteilselementen wird hier weggelassen.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche einen Boiler mit Wirbelbett bzw. einen Wirbelschichtboiler mit einem Wärmeübertragungstauchrohr gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 gezeigt, weist der Wirbelschichtboiler 1 einen Ofenkörper 2 mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form oder einer im Wesentlichen rechteckigen Rohrform auf, weiter ein fluidisiertes Bett bzw. Wirbelbett 3, welches mit einem fluidisierten Medium gefüllt ist, welches fluidisierter Sand ist, wie beispielsweise Siliziumsand, eine Ofenbodenplatte 4, die das Wirbelbett 3 trägt, und ein eingetauchtes Wärmeübertragungsrohr bzw. Wärmeübertragungstauchrohr 5, welches in dem Wirbelbett 3 angeordnet ist. Ein Brennstoff, wie beispielsweise Abfallstoffe oder Abfallbrennstoff bzw. RDF wird in das Wirbelbett 3 geliefert, und der Brennstoff wird in dem Wirbelmedium verbrannt. Eine große Anzahl von Luftdiffusionsdüsen, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind, ist in der Ofenbodenplatte 4 vorgesehen, und zwar zum Zweck des Einspritzens von Fluidisierungsluft als Fluidisierungsgas in das Wirbelbett 3.
Bei diesem Wirbelbettboiler 1 der Blasenbauart (bubbling-type) wird der Brennstoff aus einem nicht gezeigten Versorgungsanschluss in das Wirbelbett 3 geliefert. Zu diesem Zeitpunkt wird Fluidisierungsluft mit einer gleichförmigen Flussrate über das gesamte Wirbelbett 3 aus den Luftdiffusionsdüsen in der Ofenbodenplatte 4 ausgestoßen. Dadurch wird das Wirbelbett 3 ein so genanntes „Blasenwirbelbett”, in dem das Wirbelmedium in dem Wirbelbett 3 kräftig auf und ab fließt.
Der gelieferte Brennstoff wird in dem Wirbelbett 3 pyrolisiert und verbrannt. Das Wirbelmedium wird durch die Verbrennungshitze aufgeheizt, wobei somit die Temperatur innerhalb des Wirbelbettes 3 in einem Bereich von 700 bis 900°C gehalten wird. Die Temperatur in dem Wirbelbett 3 wird aufrechterhalten, indem die Menge der Fluidisierungsluft in einen Bereich eingestellt wird, so dass gilt 2,0 ≤ u₀/u_mf ≤ 4,0. Hier stellt u₀ eine Oberflächengeschwindigkeit dar, und u_mf stellt eine minimale Fluidisierungsoberflächengeschwindigkeit dar (niedrigste Oberflächengeschwindigkeit, die erforderlich ist, um das Wirbelmedium zu fluidisieren).
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die einen weiteren Wirbelbettboiler zeigt, der Wärmeübertragungstauchrohre gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist. Wie in 2 gezeigt, weist ein Wirbelschichtboiler 11 einen Ofenkörper 12 mit einer im Wesentlichen rechteckigen Rohrform auf. Das Innere des Ofenkörpers 12 ist durch ein Paar von rechten und linken Unterteilungswänden 13 in eine einzige Brennkammer 14 und in zwei Wärmewiedergewinnungskammern 15 aufgeteilt, in denen jeweils die Wärmeübertragungstauchrohre 5 angeordnet sind. Ein Wirbelbett 20, welches verursacht, dass Abfallstoffe oder Abfallbrennstoff bzw. RDF oder ähnliches thermisch reagieren, wird in der Brennkammer 14 gebildet, und das Wirbelbett 20 wird von einer Ofenbodenplatte 30 getragen. Die Ofenbodenplatte 30, die in dem Ofenkörper 12 installiert ist, hat eine Keilform, die in ihrer Mitte am höchsten ist und zu den Kanten auf beiden Seiten allmählich niedriger wird. Eine große Anzahl von Luftdiffusionsdüsen, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind, zum Ausstoßen von Fluidisierungsluft als Fluidisierungsgas in den Ofen ist in der Ofenbodenplatte 31 angeordnet. Ein Wirbelbett 23 wird in jeder der Wärmewiedergewinnungskammern 15 gebildet, und jedes Wirbelbett 23 wird von einer Ofenbodenplatte 31 getragen. Luftdiffusionsdüsen, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind, zum Ausstoßen von Fluidisierungsluft als Fluidisierungsgas in den Ofen sind in den jeweiligen Ofenbodenplatten 31 angeordnet. Wie in 2 gezeigt, sind zwei Lufttanks 32 und 32 in einem mittigen Abschnitt unter der keilförmigen. Ofenbodenplatte 30 ausgebildet, und zwei Lufttanks 33 und 33 sind an Abschnitten an beiden Seiten unter der keilförmigen Ofenbodenplatte 30 ausgebildet. Diese Lufttanks 32, 32, 33 und 33 werden mit Fluidisierungsluft von außerhalb des Ofens beliefert. Die Flussrate der Luft, die zu den Lufttanks 32, 32, 33 und 33 geliefert wird, wird durch Einstellen des Öffnungsgrades von (nicht gezeigten) Regulierungsventilen gesteuert. Dadurch wird aus den Luftdiffusionsdüsen über den zwei Lufttanks 32 und 32 Fluidisierungsluft ausgestoßen, um eine kleine Fluidisierungsgeschwindigkeit auf das Wirbelmedium aufzuprägen, und aus den Luftdiffusionsdüsen über den zwei Lufttanks 33 und 33 wird Fluidisierungsluft ausgestoßen, um eine große Fluidisierungsgeschwindigkeit auf das Wirbelmedium aufzuprägen. Dadurch wird ein sich bewegendes Bett 21, in dem das Wirbelmedium sich von einem oberen Teil zu einem unteren Teil mit einer relativ langsamen Geschwindigkeit bewegt, über dem mittleren Abschnitt der Ofenbodenplatte 30 geformt, und Fluidisierungsbetten 22, in denen das Wirbelmedium sich von einem unteren Teil zu einem oberen Teil nach oben bewegt, werden über beiden Seitenabschnitten der Ofenbodenplatte 30 ausgebildet. Entsprechend bewegt das Wirbelmedium sich von dem sich bewegenden Bett 21 zu den Wirbelbetten 22 in einem unteren Teil des Wirbelbettes 20, und das Wirbelmedium bewegt sich von den Wirbelbetten 22 zu dem sich bewegenden Bett 21 in einem oberen Teil des Wirbelbettes 20. Dadurch werden zirkulierende Flüsse, in denen das Wirbelmedium zwischen dem sich bewegenden Bett 21 und den Wirbelbetten 22 zirkuliert, auf der linken und rechten Seite des Wirbelbettes 20 geformt. Geneigte Teile der jeweiligen Unterteilungswände 13 wirken als Deflektoren bzw. Ablenkelemente, welche eine Umkehrung des Flusses des aufsteigenden Wirbelmediums zur Innenseite des Ofenkörpers 12 ermöglichen.
Bei dem innen zirkulierenden Wirbelbettboiler 11 wird der Brennstoff aus einem nicht gezeigten Versorgungsanschluss zu dem sich bewegenden Bett 21 geliefert. Zu diesem Zeitpunkt wird, wie oben beschrieben, durch Einstellen des Öffnungsgrades der Regulierungsventile die Menge der Fluidisierungsluft, die zu dem sich bewegenden Bett 21 geliefert wird, so gesteuert, dass sie geringer ist als die Menge der Fluidisierungsluft, die zu den Wirbelbetten 22 geliefert wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Menge der Fluidisierungsluft, die zu dem sich bewegenden Bett 21 geliefert wird, auf eine Menge in einem Bereich eingestellt, so dass gilt 2,0 ≤ u₀/u_mf ≤ 4,0, und so dass die Menge der Fluidisierungsluft, die zu den Wirbelbetten 22 geliefert wird, auf eine Menge in einem Bereich eingestellt wird, so dass gilt 4,0 ≤ u₀/u_mf ≤ 8,0.
Der Brennstoff, der zu dem sich bewegenden Bett 21 geliefert wird, ist in dem Wirbelmedium vorgesehen und bewegt sich in dem sich bewegenden Bett 21 zusammen mit dem Wirbelmedium nach unten. Zu diesem Zeitpunkt wird der gelieferte Brennstoff durch die Hitze des Wirbelmediums pyrolisiert, um ein brennbares Gas aus brennbaren Bestandteilen in dem Brennstoff zu erzeugen, und als eine Folge wird ein spröder Pyrolysereststoff erzeugt. Der Pyrolysereststoff weist typischerweise nicht brennbare und unverbrannte Brennstoffe (Kohle) auf, die durch die Pyrolyse spröde werden. Wenn die Pyrolysereststoffe, die in dem sich bewegenden Bett 21 erzeugt werden, die Ofenbodenplatte 30 erreichen, wenn sie den Fluss des Wirbelmediums begleiten, bewegen sich die Pyrolysereststoffe entlang der geneigten Ofenbodenplatte 30 zu den Wirbelbetten 22. Der Pyrolysereststoff, der die Wirbelbetten 22 erreicht, kommt in Kontakt mit dem Wirbelmedium, welches kräftig bzw. lebhaft fließt, und somit werden die unverbrannten Brennstoffe von dem Pyrolysereststoff getrennt. Die nicht brennbaren Stoffe, die zurückbleiben, nachdem die unverbrannten Brennstoffe sich von dem Pyrolysereststoff trennen, werden zusammen mit einem Teil des Wirbelmediums aus Auslassanschlüssen 17 für nicht brennbare Stoffe ausgelassen.
Andererseits bewegen sich die unverbrannten Brennstoffe, die von den Pyrolysereststoffen getrennt sind, nach oben durch das Innere des Wirbelbettes 22 zusammen mit dem Wirbelmedium, welches als eine Folge dessen fließt, dass die Fluidisierungsluft geliefert wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die unverbrannten Brennstoffe durch die gelieferte Fluidisierungsluft verbrannt, um ein Verbrennungsgas zu erzeugen, während das Wirbelmedium aufgeheizt wird. Dadurch werden die unverbrannten Brennstoffe in kleine unverbrannte Brennstoffe und Aschepartikel umgewandelt. Ein Teil des fluidisierten Mediums bzw. Wirbelmediums mit hoher Temperatur, welches sich zum oberen Teil der Wirbelbetten 22 bewegt hat, fließt in das sich bewegende Bett 21. In den Wirbelbetten 22 steigt die Temperatur des Wirbelmediums auf eine Temperatur an, bei der eine Pyrolyse des Brennstoffes in geeigneter Weise ausgeführt werden kann. Das Wirbelmedium, welches in das sich bewegende Bett 21 geflossen ist, nimmt wieder Brennstoff auf, und es wiederholt die oben beschriebenen thermischen Reaktionen in dem sich bewegenden Bett 21 und in den Wirbelbetten 22. Die Temperatur des sich bewegenden Bettes 21 und der Wirbelbetten 22 wird innerhalb eines Bereiches von 700 bis 900°C gehalten.
Weiterhin fließt ein Teil des Wirbelmediums mit hoher Temperatur, welches in dem oberen Teil der jeweiligen Wirbelbetten 22 angeordnet ist, über die oberen Teile der Unterteilungswände 13 in die Wärmewiedergewinnungskammern 15. Das Wirbelmedium, welches in die Wärmewiedergewinnungskammern 15 eingetreten ist, bildet Wirbelbetten 23, in denen das Wirbelmedium sich von oben nach unten bewegt, während es in Kontakt mit den jeweiligen eingetauchten Wärmeübertragungsrohren bzw. Wärmeübertragungstauchrohren 5 kommt. Die Ofenbodenplatten 31 in den Wärmewiedergewinnungskammern 15 neigen sich von der Innenwandseite des Ofenkörpers 12 zur Brennkammerseite nach unten, und Öffnungsteile 18 sind an den unteren Teilen der Wärmewiedergewinnungskammern 15 vorgesehen. Das Wirbelmedium, welches in die Wärmewiedergewinnungskammern 15 eingetreten ist, setzt sich ab, während die Wirbelbetten 23 gebildet werden, und es zirkuliert von den Öffnungen 18 in die Brennkammer 14. Die Temperatur des Wirbelmediums, wenn es in die Wärmewiedergewinnungskammern 15 eintritt, ist in einem Bereich von 700 bis 900°C, und Wärme wird aus dem Wirbelmedium als eine Folge dessen wiedergewonnen, dass die Wärmeübertragungstauchrohre 5 in Kontakt mit dem Wirbelmedium kommen. Die Menge der Fluidisierungsluft, die aus den Luftdiffusionsdüsen in den Ofenbodenplatten 31 der Wirbelbetten 23 ausgestoßen wird, wird so gesteuert, dass sie in einem Bereich ist, so dass gilt 2,0 ≤ u₀/u_mf ≤ 4,0.
Das Wirbelmedium, welches in die Brennkammer 14 zirkuliert ist, wird zu den Wirbelbetten 22 geliefert und steigt in den Wirbelbetten 22 zusammen mit dem Wirbelmedium der Wirbelbetten 22 auf, und ein Teil des Wirbelmediums tritt in die Wärmewiedergewinnungskammern 15 ein, um wieder den oben beschriebenen Wärmeaustausch mit dem Strömungsmittel in den Wärmeübertragungstauchrohren 5 zu wiederholen.
Bei dem Wirbelbettboiler 11 kann verhindert werden, dass in dem Brennstoff enthaltene nicht brennbare Stoffe um die Wärmeübertragungstauchrohre gewickelt werden, weil die Wärmeübertragungskammer 14, welche Brennstoff verbrennt, und die Wärmewiedergewinnungskammern 15, die Wärme wiedergewinnen, voneinander getrennt sind.
Als nächstes wird das Wärmeübertragungstauchrohr 5 beschrieben, welches in den in den 1 und 2 gezeigten Wirbelbettboilern verwendet wird.
3a ist eine schräge perspektivische Ansicht des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 3b ist eine vergrößerte Querschnittsansicht des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 3a gezeigt, weist das Wärmeübertragungstauchrohr 5 ein inneres Rohr 6 auf, in dem ein Strömungsmittel fließt, weiter ein Paar von Finnen 37 des inneren Rohres als Befestigungsglieder, die an einer Außenumfangsfläche des inneren Rohres 6 vorgesehen sind, und Schutzelemente 8, die an einem äußeren Teil des inneren Rohres 6 in einem Zustand vorgesehen sind, so dass ein Spalt 7 zwischen den Schutzelementen 8 und dem inneren Rohr 6 ausgebildet ist, und wobei diese das innere Rohr 6 schützen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Breite W des Spaltes 7, wie in 3b gezeigt, in einem Bereich von 0,25 mm bis 0,75 mm.
Wasser, gesättigtes Wasser, Dampf oder ein Heizmedium (Strömungsmittel mit niedrigem Siedepunkte) mit einem niedrigeren Siedepunkt als Wasser, wie beispielsweise Ammoniak, Pentan oder ein Chlorfluorkohlenwasserstoff, werden als das innere Strömungsmittel des inneren Rohres 6 verwendet. In einem Fall, wo das innere Strömungsmittel gesättigtes Wasser ist, wird ein Kohlenstoffstahlrohr für einen Boiler/Wärmetauscher, beispielsweise ein Wasserrohr, wie beispielsweise STB410S, welches eine Wanddicke von 4 bis 8 mm hat, als das innere Rohr 6 eingesetzt. In einem Fall, wo das innere Strömungsmittel Dampf ist, wird ein rostfreies Stahlrohr für einen Boiler/Wärmetauscher, beispielsweise ein Dampfrohr, wie beispielsweise SUS310TB, welches eine Wanddicke von 6 bis 10 mm hat, als das innere Rohr 6 eingesetzt. Wie in 3a gezeigt, wird das Paar der Finnen 37 des inneren Rohres durch Schweißen an der Außenumfangsfläche des inneren Rohres 6 befestigt und die Schutzelemente 8 werden in ähnlicher Weise durch Schweißen an den Finnen 37 des inneren Rohres befestigt. Die Finnen 37 des inneren Rohres sind in einer Plattenform ausgebildet und sind so geformt, dass sie über die Außenseite der jeweiligen Schutzelemente 8 vorstehen. Dadurch wird eine konstante Wärmeübertragung von dem Wirbelmedium mit hoher Temperatur auf das innere Rohr 6 durch das Schutzelement 8 und die Finnen 37 des inneren Rohres ausgeführt, wenn das Wärmeübertragungstauchrohr 5 in dem Wirbelbettboiler installiert ist. Eine Kohlenstoffstahlplatte oder rostfreier Stahl werden als die Finne 37 des inneren Rohres verwendet, und zwar entsprechend dem Material des inneren Rohres 6.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Paar von Finnen 37 des inneren Rohres jeweils an der Außenumfangsfläche des inneren Rohres 6 so vorgesehen, dass es linear symmetrisch in vertikaler Richtung ist, wie in 3a gezeigt. Wie später beschrieben, können das Wärmeübertragungstauchrohr 5 und ein benachbart angeordnetes Wärmeübertragungstauchrohr 5 so angeordnet sein, dass die Finnen 37 des inneren Rohres der jeweiligen Wärmeübertragungstauchrohre 5 zueinander hinweisen (siehe 9 und 10).
Das Material der jeweiligen Schutzelemente 8 ist ein rostfreier Stahl, wie beispielsweise SUS304, SUS316 oder SUS310S, und die Schutzelemente 8 sind in einer Form ausgebildet, die im Wesentlichen im Querschnitt halbkreisförmig ist. Eine Vielzahl von Schlitzen 81 mit einer Breite von 0,5 mm ist in den jeweiligen Schutzelementen 8 in Umfangsrichtung in Intervallen von 50 mm ausgebildet. Auch wenn die Finnen 37 des inneren Rohres und das Schutzelement 8 einer thermischen Ausdehnung unterworfen sind, wenn das Wärmeübertragungstauchrohr 5 in dem Wirbelbettboiler eingebaut ist, absorbieren die Schlitze 81 eine Differenz der thermischen Ausdehnung zwischen den Finnen 37 des inneren Rohres und dem Schutzelement 8. Eine schwarze Körperfarbe ist auf die Innenseite von jedem Schutzelement 8 aufgebracht, um die Wärmeübertragungsmenge zu vergrößern, die durch Strahlungswärme erzeugt wird, und zwar von der Innenfläche des Schutzelementes 8 auf die Außenfläche des inneren Rohres 6.
Wir oben beschrieben, sind bei dem Wärmeübertragungstauchrohr 5 des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Schutzelemente 8 an einem äußeren Teil des inneren Rohres 6 vorgesehen, so dass sie einen Spalt 7 mit einer Breite im Bereich von 0,2 mm bis 0,75 mm zwischen den Schutzelementen 8 und dem inneren Rohr 6 bilden. Daher kann ein Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem inneren Rohr 6 und den Schutzelemente 8 in geeigneter Weise verringert werden. Auf diese Weise kann die Oberflächentemperatur der Schutzelemente 8 in einem Bereich von 450°C bis 800°C gehalten werden, was ein geeigneter Temperaturbereich zur Verringerung der Korrosion durch geschmolzenes Salz ist, wenn das Wärmeübertragungstauchrohr 5 in dem Wirbelbett des Wirbelbettboilers eingebaut ist, wie in 1 und in 2 gezeigt, und vorzugsweise kann die Oberflächentemperatur der Schutzelemente 8 in einem Bereich von 480°C bis 750°C gehalten werden, was der Bereich ist, in dem die Korrosion durch geschmolzenes Salz weiter verringert werden kann. Da die Schutzelemente 8 an den Finnen 37 des inneren Rohrs durch Schweißen befestigt sind, und da die Finnen 37 des inneren Rohrs an dem inneren Rohr 6 durch Schweißen befestigt sind, kann andererseits durch Wärmeleitung über die jeweiligen geschweißten Teile das innere Rohr 6 in effizienter Weise Wärme in dem fluidisierten Bett absorbieren, welche durch die Finnen 37 des inneren Rohres und das Schutzelement 8 aufgenommen wird, und somit kann eine ausreichende Wärmeübertragungsmenge bezüglich des gesamten Wärmeübertragungstauchrohres 5 sichergestellt werden. Da die Schutzelemente 8 aus rostfreiem Stahl gemacht sind, können die Schutzelemente 8 weiter in effizienter Weise Wärme von dem Wirbelbett aufnehmen.
Ein Füllmaterial kann auch in den Spalt 7 gefüllt werden, wenn es notwendig ist, die Wärmeübertragungsmenge zwischen dem inneren Rohr 6 und dem Schutzelement 8 weiter zu steigern. Sand, rostfreier Stahl, Magnesiumoxid, Eisen oder Aluminiumoxid oder ähnliches wird als Füllmaterial verwendet. Die Form des Füllmaterials ist nicht speziell eingeschränkt, und das Füllmaterial kann beispielsweise faserförmig sein, kann in Pulverform sein oder kann schüttgutförmig sein. Wenn Füllmaterial in den Spalt 7 gefüllt werden soll, ist es vorzuziehen, dass die Breite W des Spaltes 7 in einem Bereich von 0,25 mm bis 4,00 mm ist. Um das Einfüllen des Füllmaterials zu ermöglichen, ist die Breite W des Spaltes 7 insbesondere vorzugsweise größer als 0,75 mm und kleiner oder gleich 4,00 mm. Weiterhin ist ein Füllverhältnis des Füllmaterials, welches in den Spalt 7 gefüllt wird, vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 und 0,9. In diesem Fall bezieht sich der Ausdruck „Füllverhältnis” auf einen Anteil, den das Volumen des Füllmaterials bezüglich des Volumens des Spaltes 7 einnimmt.
4, 5a und 5b sind schräge perspektivische Ansichten des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem in 4, 5a und 5b veranschaulichten Wärmeübertragungstauchrohr 5 weicht das Verfahren zum Befestigen des Schutzelementes 8 an dem inneren Rohr 37 von dem Verfahren ab, welches für das in 3a veranschaulichte Wärmeübertragungstauchrohr 5 verwendet wird.
In dem in 4 gezeigten Wärmeübertragungstauchrohr 5 wird, ähnlich wie bei dem in 3a gezeigten Wärmeübertragungstauchrohr 5, die Finne 37 des inneren Rohres durch Schweißen an einer Seite des Außenumfangsteils des inneren Rohres 6 befestigt, und die Schutzelemente 8 werden durch Schweißers an der Finne 37 des inneren Rohres befestigt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Außenumfangsteils des inneren Rohres 6 sind die Schutzelemente 8 aneinander durch einen geschweißten Teil bzw. Abschnitt 39 des Schutzelementes befestigt. Bei diesem Wärmeübertragungstauchrohr 5 wird eine Verringerung der Oberflächentemperatur der jeweiligen Schutzelemente 8 aufgrund eines Kontaktes mit dem inneren Rohr 6 verhindert, und die Oberflächentemperatur der Schutzelemente 8 kann auf einer Temperatur gehalten werden, bei der eine Korrosion durch geschmolzenes Salz nicht auftritt, da die Schutzelemente 8 aneinander mittels des geschweißten Teiles 39 des Schutzelementes befestigt sind, und die Schutzelemente 8 nicht in Kontakt mit dem inneren Rohr 6 kommen.
Bei dem in 5a gezeigten Wärmeübertragungstauchrohr ist ein Paar von Abstandshaltern 41 in dem Spalt 7 angeordnet, so dass es linear symmetrisch bezüglich der vertikalen Richtung in 5a ist. Das innere Rohr 6 und die Schutzelemente 8 sind an den jeweiligen Abstandshaltern 41 angeschweißt und befestigt, und somit wird der Spalt 7 zwischen dem inneren Rohr 6 und den Schutzelementen 8 sichergestellt. Die Abstandshalter 41 und die Schutzelemente 8 sind aneinander durch geschweißte Bereiche 42 der Abstandshalter angeschweißt. In ähnlicher Weise wie bei den Finnen 37 des inneren Rohres wird Kohlenstoffstahl oder rostfreier Stahl als das Material der Abstandshalter 41 verwendet, und zwar entsprechend dem Material des inneren Rohres 6.
Bei dem in 5b gezeigten Wärmeübertragungstauchrohr 5 sind das innere Rohr 6 und die Schutzelemente 8 aneinander befestigt, während ein konstanter Spalt 7 dazwischen sichergestellt wird, und zwar mittels geschweißter Bereiche 38 des inneren Rohres als Befestigungsglieder, die durch Zusammenschweißen der Schutzelemente 8 unter Verwendung eines Schweißmaterials geformt werden. Dadurch wird die Anzahl der Komponenten verringert.
Obwohl eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen des Wärmeübertragungstauchrohres 5 oben mit Bezugnahme auf 3 bis 5 beschrieben worden ist, ist es möglich, in geeigneter Weise die Verfahren zum Befestigen der Schutzelemente 8 an dem inneren Rohr 6 zu kombinieren, welche in den jeweiligen Zeichnungen veranschaulicht sind.
6a und 6b sind schräge perspektivische Ansichten des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem Abdeckplatten 40 vorgesehen sind.
Bei dem in 6a gezeigten Wärmeübertragungstauchrohr 5 sind, ähnlich wie bei dem in 5a veranschaulichten Wärmeübertragungstauchrohr 5 die Schutzelemente 8 an die Abstandshalter 41 geschweißt, die in dem Spalt 7 angeordnet sind, und sie sind dadurch an dem inneren Rohr 6 befestigt. Zusätzlich sind die Abdeckplatten 40 an einer Außenseite der geschweißten Bereiche 42 der Abstandshalter vorgesehen. Dadurch kann eine Verringerung der Dicke der geschweißten Bereiche 42 der Abstandshalter verringert werden.
Bei dem in 6b gezeigten Wärmeübertragungstauchrohr 5 sind in einem Bereich, in dem die Oberflächentemperatur der jeweiligen Schutzelemente 8 auf oder über einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden kann, nicht nur die Finnen 37 des inneren Rohres, die in der vertikalen Richtung angeordnet sind, sondern auch die Abstandshalter 41 vorgesehen, die in der horizontalen Richtung angeordnet sind, und somit wird die Kontaktfläche zwischen den Schutzelementen 8 und dem inneren Rohr 6 vergrößert. Dadurch wird die Wärmeübertragungsmenge vom Schutzelement 8 auf das innere Rohr 6 vergrößert. Weiterhin sind die Abdeckplatten 40 an der Außenseite des geschweißten Bereichs 42 der Abstandshalter vorgesehen, und somit kann eine Verringerung der Dicke der geschweißten Bereiche 42 der Abstandshalter verringert werden.
Die in 6a und 6b veranschaulichten Abdeckplatten 40 können auch auf das Wärmeübertragungstauchrohr 5 angewendet werden, welches in 3 und 5 veranschaulicht ist. Die Füllmaterial, welches oben mit Bezugnahme auf 3a beschrieben wird, kann auch in den Spalt 7 der jeweiligen Wärmeübertragungstauchrohre 5 gefüllt werden, die mit Bezugnahme auf 4 bis 6 beschrieben wurden.
7 und 8 sind schräge perspektivische Ansichten des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, wobei Finnen an der Außenseite der Schutzelemente 8 vorgesehen sind.
Das in 7 gezeigte Wärmeübertragungstauchrohr 5 ist konfiguriert, indem eine Vielzahl von Schutzelementfinnen 82 vorgesehen wird, die jeweils in Rippenform entlang der Umfangsrichtung an der Außenseite der Schutzelemente 8 des in 3a veranschaulichten Wärmeübertragungstauchrohres 5 ausgebildet sind.
Weiterhin ist das in 8 gezeigte Wärmeübertragungstauchrohr 5 konfiguriert, indem eine Vielzahl von Schutzelementfinnen 83 vorgesehen wird, die jeweils in einer Stiftform an der Außenfläche der Schutzelemente 8 des in 3 veranschaulichten Wärmeübertragungstauchrohres 5 ausgebildet sind.
Das Material der Schutzelementfinnen 82 und 83, die in 7 und 8 veranschaulicht sind, ist ein rostfreies Stahlmaterial, wie beispielsweise SUS304, SUS316 oder SUS310S.
Wie oben beschrieben, kann die Kontaktfläche zwischen dem Wirbelmedium und den Schutzelementen 8 vergrößert werden und somit kann der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Wirbelmedium und den Schutzelementen 8 verbessert werden, indem die Schutzelementfinnen 82 oder 83 an der Außenfläche der Schutzelemente 8 des Wärmeübertragungstauchrohrs 5 vorgesehen werden, wenn das Wärmeübertragungstauchrohr 5 in dem Wirbelbett angeordnet ist. Es sei bemerkt, dass die in 7 und in 8 veranschaulichten Schutzelementfinnen 82 und 83 auch auf die in 4 bis 6 veranschaulichten Wärmeübertragungstauchrohre 5 angewendet werden können.
9 ist eine schematische Außenansicht der Wärmeübertragungstauchrohre 5, die in einem Wirbelbettboiler angeordnet sind. Wie in 9 gezeigt, wird jedes der Wärmeübertragungstauchrohre 5 durch gerade Rohrteile 51, die aus dem geradlinigen inneren Rohr 6 geformt sind, und gebogene Rohrteile 52 gebildet, die durch einen gebogenen Teil des inneren Rohres 6 geformt werden. Dadurch werden die Wärmeübertragungstauchrohre 5 (in Schlangenform) geformt, so dass sie mäanderförmig bzw. hin- und herlaufend im Wesentlichen in der gleichen Ebene sind. Obwohl zwei Wärmeübertragungstauchrohre 5 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel parallel angeordnet sind, kann auch eine Konfiguration eingesetzt werden, bei der ein einziges Wärmeübertragungstauchrohr 5 (in Schlangenform) geformt ist, so dass es sich mäanderförmig bzw. hin- und herlaufend im Wesentlichen in der gleichen Ebene erstreckt. Die Schutzelemente 8, die oben mit Bezugnahme auf 3 bis 8 beschrieben wurden, sind am Außenumfang der geraden Rohrteile 51 der jeweiligen Wärmeübertragungstauchrohre 5 vorgesehen. Obwohl die gebogenen Rohrteile 52 der Wärmeübertragungstauchrohre eine ähnliche Struktur haben können, wie die geraden Rohrteile 51, kann auch eine Konfiguration eingesetzt werden, bei der die gebogenen Rohrteile 52 mit nicht gezeigten Schutzelementen versehen sind, um die Außenfläche des gebogenen inneren Rohres 6 zu bedecken.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Finnen 37 des inneren Rohres der jeweiligen Wärmeübertragungstauchrohre 5 so angeordnet, dass sie im Wesentlichen in der gleichen Ebene zu den Finnen 37 des inneren Rohres des Wärmeübertragungstauchrohres 5 weisen, welches zu dem relevanten Wärmeübertragungstauchrohr 5 benachbart ist. Das heißt, jedes Wärmeübertragungstauchrohr 5 ist so angeordnet, dass bezüglich eines anderen Wärmeübertragungstauchrohres 5, dessen gerade Rohrteile 51 und gebogene Rohrteile 52 parallel zu den geraden Rohrteilen 51 und gebogenen Rohrteilen 52 des relevanten Wärmeübertragungstauchrohres 5 angeordnet sind, die Finnen 37 des inneren Rohres der zwei Wärmeübertragungstauchrohre 5 im Wesentlichen in der gleichen Ebene zueinander hinweisen. Dadurch werden die Wärmeübertragungstauchrohre 5 so gebildet, dass sie im Wesentlichen in der gleichen Ebene mäanderförmig bzw. schlangenförmig angeordnet sind und eine Membranpaneelform (schlangenförmiges Paneel) bilden. Es sei bemerkt, dass, wie oben beschrieben, die Finnen 37 des inneren Rohres an das innere Rohr 6 und die Schutzelemente 8 geschweißt sind und so ausgebildet sind, dass sie über die Außenfläche der Schutzelemente 8 vorstehen.
Wenn der Brennstoff, der zu dem Wirbelbettboiler geliefert wird, Müll ist, welcher Fremdstoffe aufweist, wie beispielsweise nicht brennbare Stoffe, besteht in diesem Fall ein Risiko, dass der Brennstoff ein Problem auftreten lassen wird, wobei die Fremdstoffe in dem Spalt zwischen den zuvor erwähnten Finnen 37 des inneren Rohres stecken bleiben, die zueinander hinweisen. Daher werden in einem Fall, wo der Brennstoff Abfallstoff ist, der Fremdstoffe aufweist, die Wärmeübertragungstauchrohre verwendet, die eine Membranpaneelform haben, bei der die zueinander weisenden Stirnseiten der Finnen 37 des inneren Rohres aneinander geschweißt sind, so dass keine Spalte zwischen den Finnen 37 des inneren Rohres geformt werden können.
Es sei bemerkt, dass die Finnen 37 des inneren Rohres, die durch Schweißen an einem der inneren Rohre 6 befestigt werden, befestigt werden können, indem sie direkt an das benachbarte andere innere Rohr 6 angeschweißt werden, um dadurch eine Membranpaneelform zu bilden, um die Anzahl der Schweißarbeitsstunden zu verringern.
Die Finnen 37 des inneren Rohres können an der Unterseite der geraden Rohrteile 51, die an dem untersten Teil angeordnet sind, und an der Oberseite der geraden Rohrteile 51 vorgesehen sein oder nicht, welche an dem obersten Teil der Wärmeübertragungstauchrohre 5 angeordnet sind, die nicht benachbart angeordnet sind. In einem Fall, wo die Finnen 37 des inneren Rohres nicht vorgesehen sind, wie in 4 veranschaulicht, können die Schutzelemente aneinander mittels der geschweißten Bereiche 39 der Schutzelemente befestigt werden, oder, wie in 5a und in 5b veranschaulicht, das innere Rohr 6 und die Schutzelemente 8 können mittels der geschweißten Bereiche 42 der Abstandshalter oder der geschweißten Bereiche 38 des inneren Rohres befestigt werden.
Weiterhin kann eine Konfiguration eingesetzt werden, bei der ein spulenförmiges bzw. schlangenförmiges Paneel unter Verwendung der geraden Rohrteile 51 und der gebogenen Rohrteile 52 gemacht wird, und zwar durch Verwendung des Wärmeübertragungstauchrohres 5, das in 5a oder in 5b veranschaulicht ist, bei dem die Finnen 37 des inneren Rohres nicht an den geraden Rohrteilen 51 der jeweiligen Wärmeübertragungstauchrohre 5 vorgesehen sind, und wobei weiterhin benachbarte gerade Rohrteile 51 befestigt werden können indem sie miteinander durch Schweißen verbunden werden.
Wenn man ein solches Paneel der Wärmeübertragungstauchrohre 5 in dem Wirbelbett 3 anordnet, wie in 1 und in 2 veranschaulicht, sei bemerkt, dass normalerweise eine Vielzahl von Paneelen, die in der vertikalen Richtung angeordnet sind, im Wesentlichen in paralleler Weise in vorbestimmten Intervallen vorgesehen sind.
10 ist eine Querschnittsansicht der Wärmeübertragungstauchrohre 5 zum Beschreiben der Positionen der Finnen 37 des inneren Rohres der Wärmeübertragungstauchrohre 5, die in dem Wirbelbettboiler angeordnet sind. 10 veranschaulicht zwei Wärmeübertragungstauchrohre 5, bei denen die Finnen 37 des inneren Rohres so vorgesehen sind, dass sie zueinander weisen, welche aus der Darstellung der 9 entnommen sind.
Die Temperatur der Finnen 37 des inneren Rohres (der geschweißten Bereiche 38 des inneren Rohres oder der geschweißten Bereiche 42 der Abstandshalter) des Wärmeübertragungstauchrohres 5, die an das innere Rohr 6 geschweißt sind, nimmt aufgrund der Wärmeübertragung zu dem entsprechenden inneren Rohr 6 ab. Damit einhergehend wird die Temperatur der Oberflächen der jeweiligen Schutzelemente 8 in der Nachbarschaft der Finnen 37 des inneren Rohres vergleichsweise geringer. Folglich besteht ein Risiko, dass die Finnen 37 des inneren Rohres genauso wie die Oberflächen der jeweiligen Schutzelemente 8 in der Nachbarschaft der Finnen 37 des inneren Rohres einer Korrosion durch geschmolzenes Salz ausgesetzt sein werden. Wie in 10 gezeigt, sind daher die Finnen 37 des inneren Rohres des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in einem Bereich A angeordnet, der, wenn man das Wärmeübertragungstauchrohr 5 im Querschnitt ansieht, von zwei äußeren gemeinsamen Tangenten (gestrichelte Linien in der Zeichnung) bezüglich der Außenumfangsflächen der zwei Wärmeübertragungstauchrohre 5 (Außenumfangsflächen der Schutzelemente 8) und der Außenumfangsfläche der Schutzelemente 8 umgeben ist. Wie in 10 gezeigt, sind die Finnen 37 des inneren Rohres an Stellen angeordnet, die von den Schutzelementen 8 verdeckt sind, wie aus der Flussrichtung (Pfeilrichtung in der Zeichnung) des fluidisierten Mediums bzw. Wirbelmediums gesehen, in dem die Wärmeübertragungstauchrohre 5 so angeordnet werden, dass sie in dieser Weise Seite an Seite in der Flussrichtung des Wirbelmediums (Pfeilrichtung in der Zeichnung) konfiguriert sind. Auf diese Weise wird die Abnutzung der Finnen 37 des inneren Rohres und der Oberfläche der jeweiligen Schutzelemente in der Nachbarschaft der Finnen 37 des inneren Rohres, die durch das Wirbelmedium verursacht wird, verringert, und die Haltbarkeit der gesamten Wärmeübertragungstauchrohre 5 wird verbessert.
Beispiel
Im Folgenden wird eine Wärmeübertragungsmenge des Wärmeübertragungstauchrohres 5 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Für das vorliegende Beispiel wurde die Wärmemenge gemessen, welche von dem fluidisierten Medium bzw. Wirbelmedium des Wirbelschichtboilers 1, der in 1 veranschaulicht ist, unter Verwendung des Wärmeübertragungstauchrohres 5 absorbiert wird, das die gleiche Konfiguration hat, wie das Wärmeübertragungstauchrohr 5, welches oben mit Bezugnahme auf 3 beschrieben wurde.
In diesem Fall wurde ein Kohlenstoffstahlrohr für einen Boiler/Wärmetauscher als inneres Rohr verwendet, die Breite des Spaltes 7 des Wärmeübertragungstauchrohres war auf 0,25 mm eingestellt, SUS310S wurde als das Material für die Schutzelemente 8 verwendet, und die Dicke der Schutzelemente 8 wurde auf 3 mm eingestellt. Wenn die Temperatur des Wirbelbettes 3 800°C war, war die Temperatur des Boilerwassers 300°C, und die Menge der Fluidisierungsluft, die zu dem Wirbelbett 3 geliefert wurde, wurde auf u₀/u_mf = 2,5 eingestellt, wobei der Wärmeübertragungskoeffizient bezüglich der Übertragung von Wärme von dem Wirbelmedium auf die Schutzelemente 8 bei 390 W/m²K war, und wobei die Oberflächentemperatur des Schutzelementes 8 an einem mittleren Abschnitt der Schutzelemente 590°C war. Basierend auf der Oberfläche des Wärmeübertragungstauchrohres war der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient 209 W/m²K, und die gesamte Wärmeübertragungsmenge war 104.744 W/m².
Vergleichsbeispiel
Bei dem vorliegenden Vergleichsbeispiel wurde die Wärmemenge gemessen die von dem Wirbelmedium des Wirbelschichtboilers 1, der in 1 veranschaulicht ist, unter Verwendung eines Wärmeübertragungstauchrohres absorbiert wurde, bei dem ein Überzug aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke von 3 mm auf der Oberfläche des inneren Rohres ausgebildet wurde, welches aus dem gleichen Material gemacht wurde, wie in dem obigen Beispiel. Wenn die Temperatur des Wirbelbettes 3 800°C war, war die Temperatur des Boilerwassers 300°C, und die Menge der Fluidisierungsluft, die an das Wirbelbett 3 geliefert wurde, wurde auf u₀/u_mf = 1,5 eingestellt, wobei der Wärmeübertragungskoeffizient bezüglich der Übertragung von Wärme von dem Wirbelmedium auf den Überzug 210 W/m²K war, und wobei die Oberflächentemperatur des Überzugs 320°C war. Basierend auf der Innenfläche des Überzugs (basierend auf der Außenfläche des inneren Rohres) war der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient 222 W/m²K und die Gesamtwärmeübertragungsmenge war 111.118 W/m².
Wie oben beschrieben, kann eine Fluidisierung des Wirbelbettes 3 kräftig gemacht werden, und eine adäquate Menge an Wärmeübertragung vom Wirbelmedium auf die Schutzelemente 8 kann sichergestellt werden, indem die Menge der Fluidisierungsluft eingestellt wird, die an das Wirbelbett 3 geliefert wird, in dem das Wärmeübertragungstauchrohr angeordnet ist, so dass u₀/u_mf in einem Bereich von 2 bis 4 ist. Dadurch kann die Oberflächentemperatur der Schutzelemente 8 in einen Bereich von 450 bis 800°C gesteuert werden, was eine geeignete Temperatur zum Verringern der Korrosion durch geschmolzenes Salz ist. Da die Schutzelemente 8 und das innere Rohr 6 durch Schweißen an einem Befestigungsglied (Finne 37 des inneren Rohres, geschweißter Bereich 38 des inneren Rohres oder Abstandshalter 41) befestigt sind, kann das innere Rohr 6 Wärme des Wirbelmediums durch Leitung von Wärme durch den geschweißten Bereich aufnehmen. Dadurch können der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient und die Gesamtwärmeübertragungsmenge aufs Niveaus gehalten werden, die zu jenen des Wärmeübertragungstauchrohres des Vergleichsbeispiels äquivalent sind, bei dem ein Überzug vorgesehen ist, und zwar auch in dem Fall des Wärmeübertragungstauchrohres 5, welches den Spalt 7 aufweist.
Es sei bemerkt, dass, wenn eine Wärmeübertragungsmenge des Wärmeübertragungstauchrohres 5 unter den gleichen Bedingungen gemessen wurde, wie in dem oben beschriebenen Beispiel, und zwar unter Verwendung des in 2 veranschaulichten Wirbelschichtboilers 2, im Wesentlichen die gleichen Ergebnisse erhalten wurden, wie in dem oben beschriebenen Beispiel.
Obwohl einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung oben beschrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorangegangenen Ausführungsbeispiele eingeschränkt sondern kann auf eine Vielzahl von Arten modifiziert werden, ohne vom Umfang der Ansprüche und von der technischen Idee abzuweichen, die in der Beschreibung und in den Zeichnungen beschrieben wird. Es sei bemerkt, dass jegliche Form oder jegliches Material, die den Betriebs-/Arbeitseffekt der Erfindung der vorliegenden Anmeldung bieten, im Umfang der technischen Idee der Erfindung der vorliegenden Anmeldung liegt, auch wenn dies nicht direkt in der Beschreibung oder in den Zeichnungen erwähnt wird.
Bezugszeichenliste

1 Wirbelbettboiler, 2 Ofenkörper, 3 Wirbelbett, 4 Ofenbodenplatte, 5 Wärmeübertragungstauchrohr, 6 inneres Rohr, 7 Spalt, 8 Schutzelement, 11 Wirbelbettboiler, 12 Ofenkörper, 13 Unterteilungswand, 14 Brennkammer, 15 Wärmewiedergewinnungskammer, 17 Auslassanschluss für nicht brennbare Stoffe, 18 Öffnungsteil, 20 Wirbelbett, 21 sich bewegendes Bett, 22 Wirbelbett, 23 Wirbelbett, 30 Ofenbodenplatte, 31 Ofenbodenplatte, 32 Lufttank, 33 Lufttank, 37 Finne des inneren Rohres, 38 geschweißter Bereich des inneren Rohres, 39 geschweißter Bereich des Schutzelementes, 40 Abdeckplatte, 41 Abstandshalter, 42 geschweißter Bereich des Abstandshalters, 51 gerader Rohrteil, 52 gebogener Rohrteil, 81 Schlitz, 82 Schutzelementfinne, 83 Schutzelementfinne.

Claims

Wärmeübertragungstauchrohr, welches so konfiguriert ist, dass es in einem Wirbelbett eines Wirbelbettboilers eingebaut ist, welches Folgendes aufweist: ein inneres Rohr, das so konfiguriert ist, dass ein Strömungsmittel durch sein Inneres fließt; ein Schutzelement, das an einem äußeren Teil des inneren Rohres installiert ist; und mindestens ein Befestigungsglied, welches das Schutzelement an dem inneren Rohr befestigt; wobei ein Spalt zwischen einer Außenfläche des inneren Rohres und einer Innenfläche des Schutzelementes vorgesehen ist, und wobei das Befestigungsglied mit sowohl dem inneren Rohr als auch dem Schutzelement verbunden ist.
Wärmeübertragungstauchrohr nach Anspruch 1, wobei das Befestigungsglied durch Schweißen mit sowohl dem inneren Rohr als auch dem Schutzelement verbunden ist.
Wärmeübertragungstauchrohr nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Befestigungsglied ein Abstandshalter ist, der in dem Spalt eingebaut ist.
Wärmeübertragungstauchrohr nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Befestigungsglied eine Finne des inneren Rohres ist, die so ausgeformt ist, dass sie über die Außenfläche des Schutzelementes vorsteht.
Wärmeübertragungstauchrohr nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei das innere Rohr einen geraden Rohrteil aufweist, der in einer geradlinigen Form ausgebildet ist, und einen gebogenen Rohrteil, der in einer gekrümmten Form ausgebildet ist, und wobei es so geformt ist, dass es sich in einer gleichen Ebene schlangenförmig erstreckt.
Wärmeübertragungstauchrohr nach Anspruch 5, wobei die Finne des inneren Rohres des Wärmeübertragungstauchrohres so angeordnet ist, dass die Finne des inneren Rohres und eine Finne des inneren Rohres eines benachbarten Wärmeübertragungstauchrohres zueinander hinweisen.
Wärmeübertragungstauchrohr nach Anspruch 6, wobei die Finne des inneren Rohres des Wärmeübertragungstauchrohres und eine Finne des inneren Rohres eines benachbarten Wärmeübertragungstauchrohres aneinander geschweißt sind.
Wärmeübertragungstauchrohr nach Anspruch 5, wobei eine Finne des inneren Rohres des Wärmeübertragungstauchrohres an ein inneres Rohr eines benachbarten Wärmeübertragungstauchrohres angeschweißt ist.
Wärmeübertragungstauchrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Schutzelement einen Schlitz in einer Umfangsrichtung hat.
Wärmeübertragungstauchrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine schwarze Körperfarbe auf eine Innenseite des Schutzelementes aufgebracht ist.
Wärmeübertragungstauchrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Material des Schutzelementes rostfreier Stahl ist.
Wärmeübertragungstauchrohr nach Anspruch 11, wobei der rostfreie Stahl SUS304, SUS316 oder SUS310S ist.
Wärmeübertragungstauchrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Breite des Spaltes in einem Bereich von 0,25 mm bis 4,00 mm ist.
Wärmeübertragungstauchrohr nach Anspruch 13, wobei die Breite des Spaltes in einem Bereich von 0,25 mm bis 0,75 mm ist.
Wärmeübertragungstauchrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei ein Füllmaterial in den Spalt gefüllt ist, und wobei ein Füllverhältnis davon in einem Bereich von 0,5 bis 0,9 ist.
Wärmeübertragungstauchrohr für einen Wirbelbettboiler nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei eine Schutzelementfinne an einer Außenfläche des Schutzelementes vorgesehen ist.
Wärmeübertragungstauchrohr nach Anspruch 16, wobei die Schutzelementfinne in einer Rippenform ausgebildet ist.
Wärmeübertragungstauchrohr nach Anspruch 16, wobei die Schutzelementfinne in einer Stiftform ausgebildet ist.
Wirbelbettboiler, der ein Wärmeübertragungstauchrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 18 und eine Luftdiffusionsdüse aufweist, die Fluidisierungsluft in das Wirbelbett einleitet, wobei die Fluidisierungsluft bewirkt, dass ein fluidisiertes Medium bzw. Wirbelmedium in dem Wirbelbett fließt, und die auch einen Brennstoff verbrennt, und wobei das Wärmeübertragungstauchrohr Wärme wiedergewinnt, die durch die Verbrennung erzeugt wird.
Wirbelbettboiler nach Anspruch 19, wobei das Wirbelbett eine Brennkammer zum Verbrennen eines Brennstoffes aufweist, und eine Wärmewiedergewinnungskammer, in welcher das Wärmeübertragungstauchrohr angeordnet ist und Verbrennungswärme wiedergewinnt; und wobei das Wirbelmedium durch die Brennkammer und die Wärmewiedergewinnungskammer zirkuliert.
Wirbelbettboiler nach Anspruch 19 oder 20, wobei eine Temperatur in dem Wirbelbett während der Verbrennung in einem Bereich von 700 bis 900°C ist.
Wirbelbettboiler nach Anspruch 20, wobei eine Menge der Fluidisierungsluft in einem Bereich ist, so dass gilt 2,0 ≤ u₀/u_mf ≤ 4,0.
Wirbelbettboiler nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei das Befestigungsglied an einer Stelle angeordnet ist, die von dem Schutzelement verdeckt wird, wenn man aus einer Flussrichtung des Wirbelmediums schaut.
Wirbelbettboiler nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei eine Oberflächentemperatur des Schutzelementes in dem Wirbelbett während der Verbrennung in einem Bereich von 450 bis 800°C ist.