旋转换热器及减少旋转换热器中泄漏的方法

专利名称：旋转换热器及减少旋转换热器中泄漏的方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转换热器。
背景技术：
具体地，本发明涉及旋转基体式(rotating matrix format)的旋转再生式换热器(rotary regenerative heat exchanger)，通常如在专利US4124063中公开的，以及在专利US544113中详述的后来的改进。这些旋转基体换热器包括框架；该框架所带的壳体；在所述壳体内能绕一轴旋转的转轮；安装在所述转轮内的多个换热元件；安装在所述转轮的第一和第二轴端的第一和第二扇形板；分别在所述第一和第二轴端并布置在所述扇形板的同一径向侧上的气体入口和出口导管；以及分别在所述第一和第二轴端并布置在与所述气体入口和出口导管相对的所述扇形板径向侧上的空气出口和入口导管。
尽管参照了空气入口和出口导管，该类型的换热器还用于两种不同气体之间的换热，从而具有气体/气体换热器而不是气体/空气换热器。这些换热器通常用于例如从排出气配置如电站回收热量，其中空气是另一种介质，该空气被大幅度加热，于是预热的空气可作为燃烧空气送到电站的燃烧器。
但是，如所示，这些换热器也可用于气体/气体模式，例如用于排出气的净化，以去除NOx和SOx气体。这些旋转换热器传统上是重达几百吨的大结构。可安装换热器使得转轮的轴水平，但最常见的是轴垂直地安装转轮。于是第一和第二扇形板是上和下扇形板。
对于这种通用类型的换热器，有一个显著的问题，就是使用期间转轮的热偏移。常规的扇形板具有固有的刚性，这意味着经常上下扇形板都设置有铰结构以使扇形板可预置或调整到特定的位置以使扇形板的形状适应转轮热移动后的形状。所产生的缝隙可存在于转轮径向密封与扇形板之间，这会导致不希望的泄漏增加。
US5443113指出一种克服这种热变形问题的方法，详述了怎么从大致平的板材制造和形成冷端第二扇形板，包括至少两个纵向延伸扇形板肋，其中第二扇形板的表面冷时是凸的，并在转轮处于工作温度时与转轮冷端相补。尽管该专利强调实现底扇形板的凹特性以在工作时与加热器转轮的偏移后形状更好相配的重要性，它也指出了在转轮热端的简单的静态密封板结构。这种静态密封板结构的性质使维护要求低并易于进一步改进，如本发明所述。
附图的图6示出了一种现有的转子。入口空气压力Pai大于出口空气压力Pao，Pao大于入口气体压力Pgi，Pgi大于气体出口压力Pgo(Pai＞Pao＞Pgi＞Pgo)。因此，在空气出口和气体入口之间存在直接的泄漏。这导致旋转换热器效率更低。
SU987295公开一种转轮，其中当部分转轮经过扇形板下时，从气体侧移动到空气侧时空气被抽取通过经过转轮下的转轮隔间以在该部分转轮进入空气侧中之间洗去烟气和任何其它磨粒。由冲洗所得空气被送回气体入口中。于是任何直接泄漏(由于Pao＞Pgi)会与被冲洗的气体结合而送入到气体入口，即这对于直接泄漏来说只是空气出口和气体入口之间的替代路线。另外，还要求从气体出口减少气体量，而这只会增加从气体出口的气体量。
JP9229577公开一种相对SU987295以简单方式操作的转轮。但是，被冲洗的空气不是被送入气体入口，而是送入气体出口，导致空气出口与气体出口之间的网络泄漏，换热器效率下降。另外，提供风机，以驱动空气通过在扇形板下经过的转轮部分，从气体侧到空气侧。由此导致来自气体出口的气体显著增加。

发明内容
本发明的一个目标是减少直接泄漏。
根据本发明，提供一种旋转换热器，包括沿旋转轴延伸的转轮，所述转轮在所述转轮的相对的轴端分别具有大致垂直于轴的第一和第二轴端面，并围绕该轴；第一扇形板，具有与所述第一轴端面相邻的密封面，所述密封面延伸穿过所述第一轴端面从而将所述第一轴端面分成两半；其中所述第一扇形板限定从所述密封面延伸通过所述第一扇形板的吸导管；以及所述旋转换热器进一步包括设置为通过吸导管从所述密封面与所述第一端面之间抽取气体的压力装置。
通过使气体流动通过第一扇形板的密封面中的导管，空气出口与气体入口之间的直接泄漏减少。压力装置优选为布置在扇形板的与转轮相对侧的抽吸风机。所提供的抽吸应小于主锅炉风机。通过如此减少必须由鼓风和抽风风机处理的空气和气体流率，应用该系统要么使锅炉负载增加，要么使在加热器的一侧上的空气或气体路径上容纳更高的压力降，而不需要升级或替换大得多也更贵的风机。
被压力装置抽取的所得气体优选地进给到空气出口中。这样，被压力差Pao＞Pgi抽取的任何空气会被压力装置通过吸导管抽取，并被再引导到空气出口。空气侧与气体侧之间的直接泄漏减少。
该扇形板优选地布置为延伸通过转轮轴并穿过转轮直径，将第一轴端面分成相等的两半。扇形板内的该导管优选地有槽，通过槽可抽取气体。
气体可通过布置在转轮的第一轴端的第一气体入口进给到转轮内，然后通过转轮的第二轴端上的第一气体出口输出。第一气体入口导管和第一气体出口导管可布置在第一扇形板的相同径向侧。第二气体入口导管和第二气体出口导管可分别布置在转轮的第一和第二轴端，并在第一气体入口和第一气体出口导管上的第一扇形板的相对径向侧上。这里所述气体出口可用于任何气体，包括例如空气。来自所述压力装置的排出物和来自所述第二出口导管的气体可方便地送到共用的出口。
可有第二扇形板相邻转轮的第二轴端，其穿过第二轴端面并与第一扇形板直接相对。该扇形板优选地包括至少两个纵向延伸扇形板肋，该纵向延伸扇形板肋从所述第一扇形板远离所述转轮延伸，焊接到支撑结构肋，该支撑结构肋焊接到旋转换热器的框架。该扇形板优选地由大致平的板材形成。这种扇形板的布置提供便于气体抽取的表面。
转轮壁优选地从第一轴端面直通到第二轴端面，限定周向阵列上的多个换热空间。然后该密封面优选地充分延伸，使得在任何给定时间，轴的任一侧上的至少一个完整的换热空间完全直接并完全相对所述密封面的各自部分。这可通过所述密封面的范围至少等于两个相邻换热空间的剖面面积来实现。每个换热空间优选地大致沿转轮的整个半径延伸。
对于所述第一扇形板成形为角度x的扇形，限定所述换热空间的径向延伸壁之间的角度应小于x/2。
根据本发明的另一方面，提供一种减少旋转热交换器中泄漏的方法，该方法包括从扇形板与转轮之间的空间通过延伸过所述扇形板的吸导管驱动气体，优选地利用抽吸。


为使本发明更易于理解，参照附图通过例子给出以下描述，其中图1是旋转再生式换热器的示意性透视图；图2是示出各种密封隙的旋转再生加热器的三维透明空间框架图，常规的旋转换热器中，通过所述密封隙产生因两股流之间的压力差而引起的空气到气体(air to gas)的直接泄漏；图3是旋转再生加热器的三维透明空间框架图，示出常规的旋转换热器中，因为转轮腔内夹带的空气而产生的从空气预热器的空气侧到气体侧的附加的泄漏；图4是图1所示换热器的常规的顶或底扇形板的示意性透视图；图5是类似于图4根据US5443113所述改进的顶和底扇形板的视图；图6是图5所示固定扇形板以及经过该扇形板下时的转轮、径向板和径向密封板的剖视图。该布置示出单密封的旧空气预热器上最常见的布置；图7是在US5915339中作为现有技术引用的双密封布置的平面视图；图8是类似于图6所示的密封布置的剖视图，但示出了图7中双密封布置的另一个视图。
图9是本发明的其中一个形式的剖视图，示出增加吸密封风机的情况。
图10是化石燃料燃烧锅炉典型的简图，示出增加的密封风机流布置如何通过该单元与完整的空气和气体回路的更广范围(wider view)相联系。
图11是化石燃料燃烧锅炉典型的简图，示出如果添加增压火上风风机(boosted over-fire air fan)作为燃烧改进以减少NOx，增加的密封风机流布置可如何与更宽的整体车间布置相联系。
图12是本发明所涵盖的另一个布置的简图，示出低泄漏风机密封系统如何应用，而使通常用于再加热从常规的湿烟气脱硫系统退出的冷的、饱和烟气的气体/气体加热器中的泄漏最小化。
图13示出根据本发明的一个实施例的转轮的平面视图。
具体实施例方式
首先参照图1，其中示出旋转基体型换热器，包括框架10，在该框架10上安装外壳12，在外壳12内是可绕垂直轴14旋转的转轮组件16，转轮组件16包括通过大量径向密封板连接到轮毂15的周壁18，轮毂15围绕轴14。在密封板和间隔板22的空间内放有多个换热元件24。转轮可由26所示意性表示的转轮驱动器相对慢地、通常为每分钟一转地绕轴14旋转。
转轮驱动器安装在直径地延伸的顶结构38上，第一上扇形板安装在该顶结构38的下表面上。类似地，第二扇形板28安装到结构35上，但在图1中不可见。
下扇形板或称为第二扇形板28位于转轮下方，紧邻转轮的下轴端。端柱30上安装与转轮18的外表面啮合的轴密封板。底结构24固装到框架，在所述底结构24上安装下扇形板28。附图标记36指的是可用于在任何合适位置上安装整个组件的支撑。部分导管在40、42示出，所述导管分别用作使热气体进给至如图1所示的扇形板的远侧并通过转轮，以及用作将被换热器冷却的气体收回。另外的导管44、46在密封板右示出，用作将空气导入及导出换热器。
这一结构很标准，其构思是例如来自电站炉的热燃气被经由热气入口导管40向下进给而接触换热元件24，由此换热元件24被加热。稍微冷却的燃烧产物经由出口导管42退出。同时，用作炉子的燃烧空气(combustion air)的冷空气通过导管44送入并经由导管46退出。它经过被转轮19旋转的换热板上方，这些换热板将它们的热交给流入的空气，因而这些空气的温度上升。然后热空气用作炉的燃烧空气，这显著提高整个装置的热动力性能。因此，第一扇形板(未示出)所在的上端会是转轮的热端，而第二扇形板28所在的下端会是冷端。
为了更好地理解本发明的详细性质，即设计为减少与加热器有关的空气到气体的泄漏程度，最重要的是理解与加热器有关的泄漏的不同成分的不同性质和来源。在图2和图3中分别示出两种不同类型的泄漏。
首先参照图2，宽亮阴影箭头示出空气到气体的直接泄漏的各种路径范围，所述直接泄漏经过各种密封与相应密封面之间的各种不可避免的残留缝隙。注意主泄漏路径完全包围加热器转轮，并包括径向密封泄漏(在加热器热和冷两端)和在穿过直径两端的垂向密封处出现的轴向密封泄漏以及轮毂区域泄漏。尽管本发明的描述集中在减少径向密封上的泄漏，但是由于这通常代表最高的泄漏成分，这里所述原理同样应用于轴向和轮毂密封泄漏路径。
在图2中示出的最后的略微更弯曲的直接泄漏路径是空气旁路，在向前经过轴向密封前，空气旁路出现在空气侧上转轮冷端的周向密封上。
转到图3，保留了图2示出直接泄漏路径的箭头的同时，大转动箭头表示传送分量，即慢慢地从转轮的空气侧转到气体侧时，因转轮区段内夹带的空气而产生的空气到气体的泄漏。但是，注意，这只发生在转轮轮毂的其中一侧，在轮毂的另一侧，气体被夹入空气侧内。由于夹带泄漏通常表示径向密封泄漏外次高的泄漏分量，现有技术的几个例子致力于减少或消除这种夹带。这种现有技术的各种形式在US3315729、US3338300、US3587723和US4427054中描述，都是导流以在转轮从一侧转到另一侧前从转轮冲洗所夹带的空气或气体的不同方法。但是，这些方法都没有特别地减少直接的泄漏分量，本发明则致力于此。
现在参照图4，示出常规的下扇形板28。该下扇形板28包括上扇形板部件41，多个加强板43焊接到该上扇形板部件41。这由独立、可调的经过底结构24内的孔35的垂向柱33固装，该柱焊接加强板43的底，并在各自的可调机构上终止。如此，扇形板结构可随时调整。为防止气体的空气逸出，在杆经过具有用于提供运动自由度的金属波纹管37的底结构处设置密封。由于支撑扇形板的唯一装置在任意点，扇形必须靠在它的箱状结构上以提供必要的刚度。由此所得板41的上表面通常不很平，而必须加工成平的。在顶扇形板上重复同样的布置。
对于图5所示结构，根据US5443113，顶板41焊接至少两个纵向延伸扇形板肋45到其下表面。底结构34具有类似的向上延伸的底结构肋47。肋45可满意地焊接到扇形板41而没有显著变形。用这样装配的单元，肋45压在肋47上，并焊接到其上。在板41相对底结构34的这一安装过程中，可在肋45、47被焊接在一起之前精确确定板41的实际位置。其后该结构基本不需要调整和加工板41的顶面。类似的构造方法应用到加热器顶、底上的扇形板的热、冷两端。关于本发明，在各种板之间形成的简单的箱结构还形成理想的气密导管，通过该导管传输气体。
上述所有结构都被描述为在顶部具有转轮的第一的、热端，在底部具有第二的、冷端。可以理解第一的、热端同样可在底部。类似地，转轮可以以垂向以外的轴安装，例如，可为水平的，扇形板分别位于一侧和另一侧。
考虑接下来的图6，示出如图5所示扇形板设计的现有技术与经过扇形板下方的单组径向密封的最常见使用在任一时刻的组合。为示意性目的，在图中一起示出到空气预热器的入口空气的压力Pai，来自空气预热器的出口空气的压力Pao，以及分别相应的气体入口和出口的压力Pgi和Pgo。注意，由于在所有空气预热器应用中Pai＞Pao＞Pgi＞Pgo，显然直接空气泄漏会被迫通过残留密封缝从转轮的空气侧到气体侧，如箭头方向所示。
图7示出减少该直接泄漏的方案之一，通过倍增转轮内径向板的数量而确保在扇形密封板下总是同时有两个径向板和密封。
该方法操作的机构在图8中更好地示出，其中可看出，密封之间的合成中间气体压力Pi通常处于转轮的每一端上的空气和气体压力之间。以这种方式，双密封起到迷宫密封的作用，既减少在单密封上的压力降，也相应地减少直接泄漏的量。尽管随时可通过在扇形板下确保更多密封而进一步减少该泄漏，但是，取决于这些额外的修改如何实施，这可能导致加热器压力降更高及ID或FD风机功率增加。
图9示出本发明的一个实施，其中增加了从图8所示双密封之间的中间空间抽取气体的吸密封风机。该吸密封流被通过沿上扇形板的径向长度分布的一系列直径变化的槽抽取，如图9所示。此后，先前提到的矩形流通道产生一个理想的流室，在吸密封流经过转轮顶结构的外表面并前进到吸风机入口之前通过该流室来引导吸密封流。之后，在本发明的该布置中，来自吸密封风机的出口流被导回到带有从空气预热器到锅炉的出口空气流的主导管内。
可以理解，通过增加抽取来增加通过槽的吸密封流的量，相对没有吸密封的情况下的原始值，最接近空气侧的径向密封上的泄漏空气流率会增加。但是，等效地，该增加的压力降减少密封之间的中间压力Pi，使得该中间压力慢慢接近气体侧入口压力Pgi。因此，当吸密封流增加时，较靠近加热器气体侧的径向密封上的残留压力降，可看出是Pi-Pgi，缓慢地下降。当然，当施加足够的吸密封流时，可使中间压力变得小于气体入口压力(即，Pi＜Pgi)。在这种情况中，可看出径向密封缝上的直接泄漏可实际上逆转，使得理论上可完全消除所有径向密封泄漏。
图13示出根据本发明的转轮的平面图，如图所示，吸导管20周期性地位于沿扇形板的整个广度，即位于扇形板的两个径向方向上。这起到减少扇形板的整个长度上的直接泄漏的作用。
现在考虑图10，该图示出额外的密封风机流布置如何通过该单元与全部空气及气体回路的更广范围相联系。注意，应用如上所述该吸密封的主要好处是减少及彻底消除在加热器的热冷两端扇形板上的空气到气体的直接泄漏。因此，随着该泄漏被显著减少，对于流向和流出加热器热端的锅炉的空气和气体的相同的总体流率，必须由鼓风和吸风风机分配的流率也相应减少。在很多情况下，该单元的最大产生容量会因所有这些风机或这些风机之一的最大空气或气体处理容量而受到限制或减少。如果在转轮的空气或气体侧的任何一个上压力降或流量要求增加，这会变得更加恶化，这种增加可能由加热器失常或增加另外的装置项目如改进的燃气系统或用于减少NOx的选择性催化反应器(SCR)的更新引起。
因而，采用本发明中所述的额外的吸密封风机会恢复可用的风机工作空白，从而使减少负载的需要最小化，同时防止必须大改甚至完全替换掉大得多也更贵的鼓风或吸风风机。
接下来参照图11，示出吸密封风机的几种可能的安装方式中的一个，其中该单元安装或更新有作为减少氮氧化合物(NOx)产生的装置的火上风燃烧系统(over-fire air firing system)。在其它应用中，吸密封风机可同样选择为将其输出引导到其它地方—例如煤粉磨机(coal pulversing mill)的主空气入口。
最后，考虑图12，示出本专利替代安排的代表性草图，应用于通常用于常规的湿烟气脱硫系统之后重加热烟气的气体/气体加热器。注意，在这种情况中，已布置低泄漏风机，以在其从气体气体加热器流动并向前传到烟囱之后从重加热的烟气流率抽取其入口气体流。因而，在这种情况中，这种低泄漏风机流率是吹出来的而不是通过图9所示扇形板中的槽抽取，从而反转该图所示的泄漏流的方向。
通过增加低泄漏风机流率，双密封之间的气体的压力相比其没有低泄漏风机的自然值将慢慢增加。因此，随着低泄漏风机流率增加，该内密封压力(Pi)接近未处理的气体入口压力(Pugi)从而慢慢减少在密封上的未处理到已处理气体(untreated to treated gas)的直接泄漏量。采用上述吸密封，当低泄漏风机流率增加得足够时，内密封压力可提高到气体入口压力以上，从而事实上消除转轮上所有直接泄漏。
最后，考虑图12，注意这是GGH布置的示意图，简单地示出常规GGH中的典型流安排。但是，根据导管布置，气体气体加热器的热端既可如图所示在加热器底部，如果安装更多的昂贵管路，也可在加热器的顶部。等效地，尽管示出通常优选的观点，本发明并不排除低泄漏风机可流过冷端扇形板中的槽。
权利要求
1.一种旋转换热器，包括沿旋转轴延伸的转轮，所述转轮在所述转轮的相对的轴端分别具有大致垂直于该轴的第一和第二轴端面，并围绕该轴；第一扇形板，具有与所述第一轴端面相邻的密封面，所述密封面延伸穿过所述第一轴端面从而将所述第一轴端面分成两半；其中所述第一扇形板限定从所述密封面延伸通过所述第一扇形板的吸导管；以及所述旋转换热器进一步包括设置为通过吸导管从所述密封面与所述第一端面之间抽取气体的压力装置。
2.根据权利要求1所述的旋转换热器，其中所述第一扇形板经过所述旋转轴并在两个径向方向上延伸，所述吸导管形成在所述扇形板在两个径向方向上延伸的部分中。
3.根据权利要求1所述的旋转换热器，进一步包括第一气体入口导管和第一气体出口导管以及将通过所述吸导管抽取的气体引导到所述第一气体出口中的导管，所述第一气体入口导管和第一气体出口导管分别在所述转轮的所述第一和第二轴端，并布置在所述第一扇形板的一个径向侧上。
4.根据权利要求3所述的旋转换热器，其中工作时，在所述第一扇形板的所述一个径向侧上的气体的温度比所述扇形板的相对径向侧上的气体的温度低。
5.根据前述权利要求中的任意一项所述的旋转换热器，其中所述压力装置是抽吸装置。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的旋转换热器，进一步包括与所述转轮的第二轴端相邻的第二扇形板，所述第二扇形板延伸穿过第二轴端面并与所述第一扇形板直接相对。
7.根据前述权利要求中的任意一项所述的旋转换热器，进一步包括分别在所述转轮的所述第一和第二轴端的第二气体入口导管和第二气体出口导管，其布置在所述第一扇形板的与所述第一气体入口和出口导管相对的径向侧上。
8.根据权利要求7所述的旋转换热器，其中来自所述压力装置的排出物和来自所述第二出口导管的气体被送到共用的出口。
9.根据前述权利要求中的任意一项所述的旋转换热器，进一步包括框架，从所述第一扇形板远离所述转轮延伸的至少两个纵向延伸扇形板肋和支撑结构肋，所述第一扇形板由大致平的板材形成，所述至少两个纵向延伸扇形板肋连接到所述第一扇形板，所述支撑架构肋直接连接到所述框架，所述支撑结构肋连接到所述扇形板肋。
10.根据权利要求9所述的旋转换热器，其中所述第一扇形板焊接到所述至少两个纵向延伸扇形板肋，所述支撑结构肋和所述扇形板肋相互焊接，并且所述支撑结构肋焊接到所述框架。
11.根据前述权利要求中的任意一项所述的旋转换热器，进一步包括框架，从所述第二扇形板远离所述转轮延伸的至少两个纵向延伸扇形板肋和支撑结构肋，所述第二扇形板由大致平的板材形成，所述至少两个纵向延伸扇形板肋连接到所述第二扇形板，所述支撑架构肋直接连接到所述框架，所述支撑结构肋连接到所述扇形板肋。
12.根据权利要求11所述的旋转换热器，其中所述第一扇形板焊接到所述至少两个纵向延伸扇形板肋，所述支撑结构肋和所述扇形板肋相互焊接，并且所述支撑结构肋焊接到所述框架。
13.根据前述权利要求中的任意一项所述的旋转换热器，其中所述转轮包括在第一轴端面的壁，所述壁限定与通向第二轴端面的相应换热通道连接的多个相邻的换热空间，而且，所述壁以周向阵列的方式布置，使得随着转轮与所述第一扇形板的相对旋转，各自的换热空间一个接一个地移动经过所述密封面；其中所述密封面的范围使得在任何时间，轴的任一侧上的至少一个完整的换热空间全部直接并完全地与所述密封面的各自部分相对。
14.根据权利要求13所述的旋转换热器，其中在所述轴的任一侧上，所述密封面的范围至少等于两个相邻换热空间的剖面面积。
15.根据权利要求13或14所述的旋转换热器，其中每个换热空间大致沿所述转轮的整个半径延伸。
16.根据前述权利要求中的任意一项所述的旋转换热器，其中所述第一扇形板成形为角度x的扇形，所述转轮包括径向延伸壁，所述壁之间的角度小于x/2。
17.一种在旋转换热器中减少泄漏的方法，包括从扇形板与转轮之间的空间通过延伸过所述扇形板的吸导管驱动气体。
18.根据权利要求17所述的方法，所述旋转换热器具有转轮，所述扇形板经过所述转轮的旋转轴并在两个径向方向上穿过所述第一轴端，从而将所述第一轴端分成两半，其中所述气体被从所述扇形板与所述转轮之间的空间大致沿所述扇形板的整个长度驱动。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，所述旋转换热器具有转轮，所述扇形板经过所述转轮的旋转轴并在两个径向方向上穿过所述第一轴端，从而将所述第一轴端分成两半，其中所述气体被从所述扇形板与所述转轮之间的空间驱动通过在所述扇形板中在两个径向方向上形成的吸导管。
全文摘要
通过提供一种压力装置通过扇形板内的导管抽取空气来减少换热器的空气出口与气体入口之间的直接气体泄漏。该气体可由布置在扇形板相对转轮侧的吸装置通过扇形板内的槽抽取。
文档编号F28D19/04GK101080606SQ200680000466
公开日2007年11月28日 申请日期2006年3月22日 优先权日2005年3月22日
发明者吉姆·库珀 申请人:豪顿英国有限公司