专利名称：用于增加节省器漏斗聚合灰收集率的隔板的制作方法
技术领域：
和
背景技术：
总的来说，本发明涉及一种利用矿物燃料(尤其是煤炭)的蒸汽发生器，该蒸汽发生器可用于为工业生产或电力行业发电提供所需的蒸汽。特别地，本发明涉及一种能增加漏斗灰尘收集率的隔板，该隔板使下游设备，例如选择性催化减少(SCR)装置，不再遭受过量灰尘，这种过量灰尘可能会堵塞SCR装置中使用的催化剂，使得该SCR装置变得无效。
工业用和发电站用锅炉用于为工业生产或电力行业发电提供所需的蒸汽，那些熟悉该锅炉设计的技术人员对那些装置甚为熟悉，因此为了简要和易读的目的，在此省略了有关相同内容的详细描述。关于这种工业用和发电站用锅炉设备的详细情况，还有对各种类型环境净化装置(例如与这种蒸汽发生器共同使用的SCR装置)的描述，读者可以参考Babcock & Wilcox公司Copyright1992，Stultz和Kitto所著的蒸汽/它的产生和使用(STEAM/its generationand use)第40版，书中的内容合并在此作为参考。
在这种蒸汽发生器的节省器排气口下方通常可以发现一组漏斗。矿物燃料例如煤炭燃烧产生的副产品是烟道气和夹带的灰尘颗粒，它们通过蒸汽发生器被传送，从而将热量传送给工业生产或汽轮机发电用的水和蒸汽，这种传送方式是本领域技术人员所熟知的。由于夹带的飞灰在烟道气流中沉淀下来，落入这些漏斗中，随后以气动方式或机械方式被清除。
在工业生产中利用SCR系统的上部催化剂层来减少这种蒸汽发生器产生的NOx排放物，最近工业生产中已经有许多聚合灰堵塞的事件。这种堵塞可导致压降增大，催化剂性能降低，并且在最差的环境下会导致SCR系统从管道脱离。聚合灰是一种大颗粒灰，这种大颗粒灰是轻的、疏松多孔的、具有不规则形状的，并且经常形成于蒸汽发生器的上表面或对流部分热交换表面上。聚合灰颗粒可以容易地达到10毫米或更大的尺寸。即使具有标准烟道出气管和漏斗结构，这些大颗粒中的一部分也通常不能被收集到。已经知道，尺寸大于4或5毫米的颗粒会导致SCR催化剂堵塞。
以前对这个问题的解决方法包括在节省器和漏斗之间设置平面隔板和/或在排气烟道中设置金属网筛。平面隔板使得烟道气流通道变曲折，致使大颗粒无法跟着流动。而金属网筛可以在允许烟道气体流过的同时机械地阻挡大颗粒。
发明概述因此，如图7所示，本发明的一个方面是提供一种改进的隔板(I)，该隔板连接到节省器出口烟道的后壁上，并位于节省器排气口(II)下方。该隔板设计具有独特的三维形状，可以引导多数聚合灰颗粒进入漏斗(III)的最深部分。这增加了漏斗收集灰尘颗粒的百分率，并且降低了位于节省器下游的SCR催化剂堵塞的可能性。
该隔板包括几块三角形的板，通常每个漏斗对应着三块板。三块板为一组，每一组的板都以那种构成倒棱锥形结构三个侧面的方式排列。各个倒棱锥形结构的断开的第四个侧面位于最靠近前壁隔板的一侧。为了获得聚合灰颗粒的最大收集率，应该最优化这些三角形板的尺寸和角度，这需要考虑颗粒尺寸、气体动力学特性、恢复系数还有漏斗的尺寸、倾斜度和位置。还需要考虑烟道气流速度、压降和灰尘在隔板上部聚集的可能性。
表现本发明新颖性的各种特征已在随后的权利要求中有所记载，这也构成了本发明公开的一部分。为了更好的理解本发明、本发明的优点和使用本发明带来的具体好处，下面参考附图和描述性材料来说明本发明的优选实施方式。
附图中图1是根据本发明在蒸汽发生器的节省器排气烟道或对流烟道的较低部分内应用和布置隔板的透视图，即连接在那儿的排气烟道的上游(就烟道气流和夹带的残留灰尘颗粒的流动而言)；图2是图1中隔板和节省器排气口的截面侧图；图3是从图2中箭头3-3的方向看，图2中隔板的正视图；图4是从图2中箭头4-4的方向看，图2中隔板的平面图；图5表示的是当没有为节省器排气烟道提供根据本发明的隔板时，烟道气和夹带的灰尘颗粒流过节省器排气烟道的情况；图6表示的是当为节省器排气烟道提供根据本发明的隔板时，烟道气和夹带的灰尘颗粒流过节省器排气烟道的情况；图7是本发明的另一立体图，它示出了改进的隔板(I)的三维形状外观，该隔板连接到节省器出口烟道的后通道的后壁上，并位于节省器排气口(II)下方，以引导多数聚合灰颗粒进入漏斗(III)的最深部分。
优选实施方式的描述已经确定，在SCR之前收集聚合灰颗粒的最佳位置在节省器排气口。对于收集大颗粒来说，节省器排气口成为优选位置的原因有许多，首要的原因是通过漏斗的相对较低的烟道气体流速。一旦气体到达SCR系统中烟道的相对小的空间时，气体速度会增大到这种程度，即将灰尘颗粒从气体中分离出来变得相当困难的程度。烟道气体向下流动，然后在节省器排气口转向水平方向，这样也是有利的，因为颗粒的初始动力和重力能够共同作用，在相同的方向上将颗粒从气流中分离出来。最后，由于漏斗和灰尘清除系统已经存在，节省器排气口就成为收集灰尘颗粒的合理位置。
需要研究漏斗中的气流模型以确定如何以气动方式将大的灰尘颗粒分离出来。这种气动方式通常是优选的，因为通常来说这种方式与那种采用网筛的方法相比只给系统带来较小的压降，还因为在高灰分环境下这种方式看起来比采用网筛有更少的维修保养问题。然而，气动方式并不总是可行的，气动方式的预计收集率不像采用网筛的方法那样有保证。采用网筛对测量的颗粒特性或CFD模型的精确度依赖性不高，因此对于特定的颗粒尺寸其预计的收集率较为确定。另外，气动方式通常存在较高的局部气流速度，这会增大飞灰侵蚀的可能。对于产生具有高侵蚀性飞灰的燃料来说，这些问题更加严重。
准确的预测节省器排气口内聚合灰的表现需要这样的具体知识，即灰尘颗粒的空气动力学特性和尖端的CFD模型技术。有关的灰尘特性包括颗粒密度、阻力系数、恢复系数和与钢板的摩擦系数。这些都通过一系列的实验室实验和大量的数据分析获得。然后，CFD模型利用为聚合灰分析专门写的算法来解决并且画出烟道气流和聚合灰颗粒轨迹。
一旦具有代表性的颗粒轨迹可以被计算出来，基本结构、不同的隔板结构、不同的节省器漏斗结构的灰尘收集性能就被分析出来。对基本情况下灰尘收集能力的测量给各种变化的几何形状提供了比较的基准。通常，在基本模型下和灰尘颗粒落到最靠近后壁时，颗粒最不可能被收集到，因此聚合灰颗粒的收集率相当低。
在研发本发明的过程中发现，有“好的”和“坏的”漏斗结构，这也会影响收集能力和从流过节省器排气口的烟道气体中清除灰尘的能力。
典型的节省器漏斗是锥形的。这种形状的漏斗会在两个相邻的倾斜壁之间形成凹角，该凹角比任一个侧壁角都浅。该凹角的坡度将影响固体沿漏斗壁和漏斗壁间的凹口的流动。保持最陡的角度实际上会有利于固体的回收能力。当垂直壁指向后侧或节省器排气口侧时，具有垂直壁的漏斗具有优点。在此，排气口通道的陡壁有助于对大颗粒的动力学收集。垂直壁也可以允许沿一侧的漏斗凹角增大，虽然这通常会以额外的顶部空间为代价。
漏斗几何形状的几个方面会导致低的收集率。这些方面中的一些包括漏斗之间分叉处上高的脊部、漏斗壁的浅角，和节省器排气口的倾斜后壁。由于允许颗粒在气流中聚集和被再次夹带，在漏斗之间平坦的、水平的表面也易于降低对灰尘的收集。改变漏斗结构和消除几何形状的这些不利因素通常会显著地改善灰尘收集率。关于引起本发明的发展的基础试验和模型工作的额外信息，读者可以参考The Babcock & Wilcox公司技术文件BR-1741中标题为“聚合”灰的SCR系统设计的思考(SCR System Design Considerations for“Popcom”Ash)的文章，该文章由Anthony M.Ryan和Bryce St.John合著，曾于2003年5月19-22日在EPRI-DOE-EPA-AWMA联合电厂大气污染物的控制研讨会中公开，在此参考文中的内容合并于此，以供参考。
本发明采用隔板的三维结构的特殊排列方法，将灰尘颗粒从烟道气流中以气动方式分离出来。本申请的附图中，相同的附图标记表示相同或具有相似功能的部件。图1所示是根据本发明的隔板的应用和布置，该隔板的附图标记是10，其处于蒸汽发生器(未示出)的节省器排气烟道12的较低部分，刚好处于连接在该较低部分的排气烟道16的上游(就流过此处的烟道气和夹带的灰尘颗粒14的流动而言)。节省器排气烟道12具有前壁18、后壁20和侧壁22，侧壁22连接前壁18和后壁20。隔板10是具有三维结构的隔板，用于以气动方式将灰尘颗粒14从流过节省器排气烟道12的烟道气流中分离出来。隔板10包括多个以三维结构排列的三角形隔板24、26，当隔板连接到后壁20并跨越节省器排气口30下面的节省器排气烟道12的宽度W布置时，这些隔板互相连接从而形成多个倒棱锥形结构28。形成各个倒棱锥形结构28的多个三角形隔板24、26形成各个倒棱锥形结构28的三个侧面，在跨越节省器排气烟道12的宽度W上，每个倒棱锥形结构28都和相邻的锥形结构28并排连接在一起。当隔板10位于节省器排气烟道12内并合好位于节省器排气口30下面时，各个倒棱锥形结构28的断开或敞开的第四个侧面32位于最靠近前壁18的隔板10的一侧。
图2、3和4所示是应用和安装在节省器排气烟道12内的隔板10的其它视图。如图1-4所示，有多个漏斗34位于节省器排气烟道12下面，为每个漏斗34提供具有一对一对应关系的倒棱锥形结构28。同样作为优选方式的是，各个倒棱锥形结构28的中心，各个隔板24的交叉线，都基本上位于各个漏斗34的中心，从而使隔板10将灰尘颗粒14收集到漏斗34内的引导作用最大化。如果需要的话，为了保持这种定向作用和一对一对应关系，可以在节省器排气烟道12侧壁上采用“半锥形结构”。
如上所述，还发现气动方式收集聚合灰颗粒的收集率取决于如下因素，例如颗粒密度、颗粒阻力系数和颗粒尺寸。总的来说，由于颗粒和颗粒间的这些特性互不相同这种事实已经存在，因此有必要测量该装置相应于这些变化的收集率的灵敏性；某些情况下，由于颗粒密度降低、阻力增大和颗粒尺寸降低，收集率会极大地降低，甚至降低到不能接受的程度。理想的几何形状所获得的灰尘收集率对这些变化具有较低的灵敏性。有时候，要获得可接受的气动收集率，所要做的就是调整基本的几何形状。然而在多数情况下，需要采用位于节省器(未示出)最后一个斜面之下的隔板10，该最后一个斜面通常在这种节省器排气烟道12的对流烟道后壁20上。采用这种结构，隔板10位于适当位置从而可以重新引导那些很可能逃脱到漏斗34中部的颗粒。通过制作三维的CFD模型，可以改进隔板10的几何形状，从而使颗粒14直接进入漏斗34最深的部分，该最深的部分是颗粒最不可能跳出或被气流再夹带走的地方。隔板10和水平面之间的夹角应该被保持在某一最小值以上，从而防止灰尘在隔板上部聚集。同样，为了获得可能的最低的压降并使局部气流速度峰值最小化，应当最优化隔板长度和角度。多数情况下，增加隔板10能将灰尘收集率增大到可接受的程度，并使该收集率相对于灰尘特性的变化来说相对不敏感。
图5表示的是当没有为节省器排气烟道提供根据本发明的隔板10时，烟道气和夹带的灰尘颗粒一般流过节省器排气烟道的情况，而图6表示的是当为节省器排气烟道12提供根据本发明的隔板10时，烟道气和夹带的灰尘颗粒一般流过节省器排气烟道12的情况。可以注意到向下游流动的颗粒量减少了。
本发明的优点包括在某些情况下聚合灰14的收集率从60％增大到98％以上。在第一种应用中，没有发现由于聚合灰14而造成的催化剂堵塞现象。该最新设计的隔板10独特的三维结构比过去采用的平面隔板具有更高的效率，这是由于它在较低压降时也允许收集增多的颗粒。该最新设计的隔板10与多数金属网筛相比电具有较低的压降，还避免了金属网筛具有的堵塞问题和维修保养问题。
为了说明本发明原理的应用，虽然已经详细记载和描述了本发明的具体实施方式
，但是在不脱离本发明实质的前提下，本领域技术人员可以根据后面权利要求限定的本发明的内容进行改进。例如，本发明可以应用于涉及蒸汽发生器的新结构，或者已经存在的蒸汽发生器的更换、维修或改进，尤其是在这种情况下，即为了更有效的工作，SCR设备被改进为这种设备并且必须防止灰尘转移到这种SCR的催化剂模型中。在本发明的一些实施方式中，利用本发明的某些特征而不利用相应的其他特征有时可能具有其优点。例如，如果认为当合适的隔板结构和对已有的漏斗结构的重新设计相结合时可以达到最佳的结果，应当理解的是，在某些情况下重新设计节省器漏斗也许是不现实或不可能的。在多数情况下这并不是什么问题，然而，只要按照本发明来安装隔板，就可以达到收集的聚合灰显著增加这样的结果。因此，所有这些改进和实施方式都完全落在如下权利要求的范围内。
权利要求
1.一种三维隔板，用于以气动方式将灰尘颗粒从流过节省器排气烟道的烟道气流中分离出来，该节省器排气烟道具有前壁、后壁、连接前壁和后壁的侧壁以及节省器排气口，侧壁间具有可测量的宽度，该三维隔板包括多个以三维结构排列的三角形隔板，当隔板连接到后壁并跨越正好在节省器排气口下面的节省器排气烟道的宽度布置时，这些隔板互相连接从而形成多个倒棱锥形结构，形成各个倒棱锥形结构的多个三角形隔板形成各个倒棱锥形结构的三个侧面，在跨越节省器排气烟道的宽度上，每个倒棱锥形结构都和相邻的锥形结构并排连接在一起，当隔板位于正好在节省器排气口下面的节省器排气烟道内时，各个倒棱锥形结构的断开或敞开的第四个侧面位于最靠近前壁的隔板的一侧。
全文摘要
一种隔板，由具有三维结构的隔板以特别的排列方式形成，可以以气动方式将聚合灰颗粒从烟道气流中分离出来。该隔板连接到节省器出口烟道的后壁上，并位于节省器排气口下方。该隔板被设计为具有独特的三维形状，可以引导多数聚合灰颗粒进入漏斗的最深部分，这增加了漏斗收集灰尘颗粒的百分率，并且降低了下游设备堵塞的可能性。该隔板由几块三角形的板构成，通常每个漏斗对应着三块板。三块板为一组，每一组的板都以那种构成倒棱锥形结构三个侧面的方式排列。各个倒棱锥形结构的断开的第四个侧面位于最靠近前壁隔板的一侧。为了获得聚合灰颗粒的最大收集率，应该最优化这些三角形板的尺寸和角度，这需要考虑颗粒尺寸、气体动力学特性、恢复系数还有漏斗的尺寸、倾斜度和位置。还需要考虑烟道气流速度、压降和灰尘在隔板上部聚集的可能性。
文档编号F23J3/04GK1776299SQ20051005092
公开日2006年5月24日 申请日期2005年1月7日 优先权日2004年1月8日
发明者A·M·里安 申请人:巴布考克及威尔考克斯公司