流化床热交换器的制作方法

本申请涉及一种所谓的循环流化床装置(CFBA)的流化床热交换器(FBHE)。

背景技术：

循环流化床装置(CFBA)的通用设计包括：

-循环流化床反应器(CFBR)，其设计为燃烧器、焚烧反应器、锅炉、气化炉、蒸汽发生器等，如在US 6,802,890 B2所公开的。在典型的CFBR中，气体(空气)通过反应器的可透过的格栅状的底部区域，所述格栅(网格)支持颗粒物质的流化床，所谓的焚烧充填物，主要包括例如煤炭的燃料类材料。这给流化床中的燃料材料和其他组分提供了沸腾液体的性能。

充气的颗粒物质/燃料混合物能够提高焚烧工艺和效率。

焚烧充填物通常通过喷嘴吹入的空气/气体流化。流化床包括在所述格栅之上并与所述可渗透的反应器底部相邻的所谓密相区域(denseboard area)，而在流化床中的颗粒材料的密度在反应器空间的上部变小，也称作流化床的自由区域(freeboard area)。

反应室通常受限于外部水管壁，所述水管壁由水从其中通过的管子制成，其中所述管子或者被直接彼此焊接以提供壁结构，或者在平行延伸的管部之间具有翼或肋。

由于如煤炭、木材等的大多数所述燃料材料包含硫和/或有害物质，因此需要以适当的方式清洗离开反应室的气体。

CFBR通常在其上端具有至少一个出口端口(outlet port)，其中所述出口端口允许气体和固体颗粒的混合物从反应器排出，流入至少一个相关的分离器中。

-分离器，例如，旋风分离器，用于从所述气体中分离固体颗粒(颗粒材料，包括灰尘)。在US 4,615,715中公开了这种分离器的典型设计。分离器的外壁可设计为中空空间以使水从其中流过。

-装置，用于将所述分离的固体颗粒通过流化床热交换器(FBHE)的至少一个相应的入口端口(inlet port)从分离器传输到至少一个流化床热交换器(FBHE)。这些装置可为导管/管道/通道等。

-虹吸管，其沿着从分离器至CFBR和/或FBHE的路径，以使分离器和CFBR之间的压力(场)的解耦。

-至少一个流化床热交换器(FBHF)，其允许利用热量来产生能源，所述热量由颗粒材料提供，例如通过传热装置(通过管子等)加热并增加作为传热介质传输的通过所述FBHE并进一步到涡轮等的蒸汽的压力。

-FBHE配备有至少一个入口端口和至少一个出口端口，后者适用于返回装置，用于至少一部分固体颗粒从FBHE离开并回到循环流化床反应器CFBR中的路径中。

在过去的几十年里，已经开发了许多这种装置和部件的设计。

然而仍然存在对改进的持续需求，特别是关于能量效率(典型容量范围：50-600MW-电-)、效率、简单构造、避免机械和热机械应力、紧密度(典型反应室的数据为：高：30-60m，宽：13-40m，深度：15-40m)。

技术实现要素：

本发明始于具有腔室的FBHE，包括：至少一个固体颗粒入口端口；至少一个固体颗粒出口端口，其与所述至少一个入口端口隔开一定距离布置；用于将流化气体从所述腔室的底部区域引入到所述腔室中的装置；以及至少一个布置在所述腔室中的传热装置。

本发明包括三个结构构成部分，即

a)在流化床热交换器(在所述腔室中)中的传热装置的设计和布置，

b)在所述室中并在所述传热装置之上的一个或多个挡板的设计和布置，

c)所述传热装置和所述挡板的结构连接。

ad a)：

传热装置在FBHE腔室的垂直下部延伸和

-在固体颗粒通过FBHE从入口端口到其出口端口的路径中的的主流动方向，

-基本上彼此平行，

-在相邻的传热装置之间具有空间。

各传热装置在颗粒流动方向的延伸部分可以通过壁状结构(单个传热装置的大体上平坦和紧密的设计)来最好地实现。

结合它们的定向，这允许彼此相隔一定距离布置一组(套)多个传热装置，从而在相邻的壁/面板状传热装置之间形成空间。换句话说，如“空间/间隙”的通道布置在相邻的传热装置之间，所述通道还从腔室的入口到腔室的出口区域(出口端口)在固体颗粒的流动/传输方向上延伸。FBHE的这个部分的总体设计与腔室相似，被中间壁分成隔间，全部在FBHE的入口端口和出口端口之间基本上线性延伸。

术语“壁状”不仅指具有平坦表面的立方设计，而且指各传热装置占用的总体积。一个管子，弯曲(曲折)使得所述管子的中央纵向轴位于一个假想平面中，表示壁状模式的一个实施例。管部可沿着坐标系(在相同平面)的两个轴向不同的方向延伸。

这种设计使得在流化床中的固体颗粒在相邻的离散传热装置之间的空间/通道中流动，即在相邻的传热装置之间形成的空间(通道)中流动，虽然材料可以透过传热装置(例如在传热装置由一个或多个弯曲管子制成的情况下)，但远比主流动方向少。

如果离散的传热装置是由弯折的管子/管道提供的，情况尤其如此，例如根据以下任选特征中的一个：

-壁状模式包括网状结构。这使得固体颗粒沿坐标系的所有方向流动，但是保持朝向出口端口的主传输方向。

-传热装置被设计为热交换管，用于传送传热介质并以弯曲的方式布置，从而提供垂直定向的壁状模式。

-多个传热装置彼此以一定距离布置，形成一套/组传热装置。这提供了一批/套传热装置，贯穿腔室容积。

-从腔室底部或接近腔室底部开始，传热装置延伸约腔室高度的50-90％。

-传热装置延伸约小于腔室高度的80％。

-传热装置从略高于底部向上延伸。

-弯曲的热交换管的水平延伸部分比同一热交换管的垂直延伸部分长至少3倍。这构成固体颗粒的主传输方向的基础。

-传热装置可用作再热器或过热器来再热或过热(超热)在所述装置(管子)中的传输介质。

-流经所述热交换管的流体可为蒸汽，例如300℃-650℃和/或80巴-300巴的蒸汽。

-几个热交换管可以连接到中央(共同)进料管。

-同一热交换管的相邻部分或者同一传热壁的另一热交换管彼此延伸至外部热交换管直径的0.1-4倍(或0.5-2倍)。

-在FBHE中不需要/不提供固体颗粒的入口腔室和/或返回腔室来允许连续的流动模式。

Ad b)：

至少一个挡板在FBHE腔室的上部延伸，以及

-基本上垂直于传热装置，

-因此基本上垂直于在入口端口和出口端口之间的固体材料的主流动方向，

-从腔室的顶板向下，

-其下端与传热装置具有一定距离，

以及包括延伸部分(extension)，突出到相邻的传热装置之间的空间。

换句话说，挡板基本上垂直于入口端口和出口端口之间的直线延伸并基本上垂直。

这种至少一个挡板不影响在装配有传热装置FBHE部分中的固体颗粒的流动，因为其布置在所述传热装置之上并仅用于重定向进入的固体颗粒流(向下)并使流化床之上并沿着室的水平截面的压力均衡，特别地，如果其提供有开口。

挡板具有分隔壁的功能并避免固体材料流动(直接从入口端口到出口端口)的短路。它们促使颗粒流透入传热装置之间的传热带(以上提及的通道)。

从本说明书可以得出，通常FBHE腔室的入口端口布置在其上端，紧靠其顶板，并总是看作总体FBHE的功能位。除非另有公开，这种定位对在此所有其他引用是有效的。

任选包括以下实施例：

-各挡板能够由一个或多个管道制成，其中流体(如水)流经所述管道。

-至少一个挡板在所述腔室的相对壁之间延伸以改进所描述的效果。

-至少一个挡板具有至少一个开口以允许对腔室中的压力调整/补偿。开口的大小可以调节。

-至少一个挡板为至少部分水冷的。

-至少一个挡板可被用作蒸发器或所谓的节热器(economizer)以加热流体。

-至少一个挡板由压力管制成以传输90巴-320巴的270℃-400℃的流体状的水。

-这些压力管(或常规管)可连接至中央(较大)进料线。这个中央进料线可用于提供水至进一步的挡板。

-至少一个挡板被设计为幕。所述幕限定挡板具有许多小的、离散的开口或狭缝，所述开口或狭缝使压力均衡但是在很大程度上避免固体颗粒透过。

-多个挡板沿着入口端口和出口端口之间的所述线彼此以一定距离布置，即，距入口端口不同的距离。

ad c)：

本发明进一步提供具有所述挡板的传热装置的结构连接，即，某种连接器(coupling)以

-提供整体构造为所期望的机械整体，

-使传热装置和/或挡板的所述排列保持长时间，

-使颗粒(固体)材料以预定的模式通过FBHE腔室并由此实现至热量交换装置的最佳传热。

这些延伸部分可为杆、柱等，但优选为流体传输装置如管子/管道，以同时增加总的热交换表面，如果水/蒸汽流经这些延伸管子/管道，其可被流体连接至任何的传热管的管子和/或挡板管道。在此范围内延伸部分可被认为挡板安装的一部分和/或传热装置的一部分，都是在热工的意义上。这些延伸部分可具有小的截面积，因为它们在相邻的传热装置之间的空间延伸并且应避免流经那里的固体物质的任何不利的减速。在此范围内(水平)截面(对应于流体的流经面积)应小于对应的相邻传热装置之间的水平距离的50％，<40％更好，<30％，<20％，或者甚至<10％。

所述连接/连接器可以通过本领域技术人员从其他应用中所熟知的任何常规夹紧机构来实现。这些夹紧机构可为钩、托架、夹子、钳、支架等。

本发明进一步任选的特征包括：

-传热装置和挡板，包括它们的延伸部分，形成三维格栅状结构，特别是如果彼此以约90度布置。这使得通过具有最佳传热的腔室的材料具有最佳流动模式，并避免捷径或其他不利的横流。

-室壁也可是至少部分水冷的。它们可以由压力管制成，任选地在相邻压力管之间具有翼并连接至以上提及的挡板管和/或任意中央进料管。在这个范围内室壁也可用于传输具有高压(90-320巴)的热水(270-400℃)。

附图说明

现在参照附图描述本发明，所有的附图以非常示意性的方式显示，其中

图1为流化床装置的一般概念；

图2为流化床热交换器的截面图；

图3为图2的FBHE24的沿线3-3的俯视图；

图4为FBHE中的传热装置和挡板的布置的立体图；

图5为在挡板延伸部分和传热装置的相邻传热管之间的连接器的立体图；

附图中，相同和相似的构造部件使用相同的附图标记来标识。

具体实施方式

图1公开根据本发明的流化床装置及其主要部件的一般概念。

其包括：

-循环流化床反应器(CFBR)10。它的下部包括格栅状结构12，通过格栅状结构用喷嘴(未示出)将空气(箭头A1)吹入反应器室14，由此在所述格栅12之上提供流化床(密相-DB-)，其中所述密相包括待燃烧的颗粒材料如煤炭、木材等。

-CFBR在其上部的相对侧具有两个出口端口16，使从CFBR排出的气体和固体颗粒的混合物流入相关的分离器18，即旋风分离器。所述分离器用于从气体中分离固体颗粒。

-设计为导管的传送装置20从各分离器18的下端向下延伸并沿着流化床热交换器(FBHE)24的顶板24c进入入口端口22。

-虹吸状的管构造26(U型)从各分离器18的下端延伸进入反应器腔室14，进入略高于所述CFBR的格栅12的腔室14。

-FBHE装配有(板状)传热装置28和出口端口30，出口端口30与管构造26在同一垂直高度融合到反应器腔室14。

这个概念属于现有技术。在对于本领域技术人员而言已知的范围内，细节并未进一步示出。

本发明包括下列特征中的一个或多个：

根据图2，流化床热交换器24显示在其上端的入口端口22(在图2中：左上)和在其上端的出口端口30(在图2中：右上)，即，二者彼此相对。所述出口端口30提供固体颗粒的返回装置，所述固体颗粒沿着传送管道被进一步传输到腔室14。并且显示了腔室14和FBHE 24的共同壁14w。

出口端口30包括多个流通开口，其沿着所述壁14w的对应的壁部分彼此以一定的距离布置成水平行。

所述壁14w是水冷的，即由在相邻管之间运行的垂直延伸的具有翼的管子构成。所述管子由通过所述管供应的水冷却。

具有离散出口端口的功能的通孔以稍微倾斜的定向显示在图2中，其下端朝向流化床热交换器24以及其上端朝向流化床反应器腔室14。

这种倾斜定向(偏斜的出口端口30)可被设置为朝向流化床热交换器24的内部空间/腔室的所述壁14w的三维轮廓(例如凸面14w’)的一部分，如在图2中以虚线显示并用附图标记30’表示。

图2-4显示在流化床热交换器24中的传热装置28的类型的设计和构造。在图2中，仅显示了所述传热装置中的一个。相同设计的进一步的传热装置在FBHE 24中彼此相隔一定距离放置(垂直于投影面)，示意性地显示在图4中。

蒸汽通过中央送料线42被供应到所述装置28，然后流经弯曲管(如图所示)，表示所述装置28，以及通过共同的出口线44排出，从而允许在入口端口22和出口端口30之间穿过FBHE 24颗粒材料(以点P表示)吸收热量。

重要的是，各个所述装置28被设计为壁状模式并基本上以平行于通向和通过出口30端口的固体颗粒的主流动方向延伸，在图2中以箭头S表示。

所有的管子28被连接到相同的进料线42和出口线44。

弯曲的管子不仅提供了传热装置28壁状模式，而且提供了格栅状结构，以使颗粒材料也以其他水平方向通过，尽管是在很小的程度上。

所述管子的水平延伸部分比垂直延伸部分长约10倍(图2并未按比例绘制)。相邻的水平部分延伸到彼此约管直径的距离。

如图2和图4所示，传热装置28延伸约超过60％的腔室高度，所述腔室高度为腔室的底部24b和腔室的顶板24c之间的距离。在实施例中各个壁状传热装置28从略高于底部24b(或更精确地：从略高于布置在所述底部24b的空气喷嘴46，参见图2)至略低于入口端口22以及从稍微偏离壁14w至稍微偏离相对的壁24w延伸。

在现有的装置中，具有离散的隔断壁的单独的入口腔室构建在壁24w和传热装置28的相邻部分之间以及单独的返回腔室构建在壁14w和部件28之间。这些壁和腔室引起固体颗粒流的上下流动，现在这被没有任何隔断壁的新设计避免了，从而使构造更简单、成本更低和更有效。

颗粒物质可沿着在相邻管子(传热装置)之间形成的通道/间隙C采取从入口端口22至出口端口30(参见箭头S)直接的路径，如图3所示。

颗粒材料物质在FBHE 24中的流化通过在底部区域24b的空气喷嘴46来实现。颗粒材料通过吹扫装置(purging means)在FBHE 24中循环，从而优化从热固体颗粒P到以通常300-625℃的温度和80-300巴的压力在管状传热装置28中流动的蒸汽的传热。

回到图2，显示的实施例进一步包括两个挡板50、52，其从顶板24c向下延伸，在略高于传热装置28处结束。这些挡板50、52基本上垂直于入口端口22和出口端口30之间的直线(虚线L)延伸，即，垂直于壁状传热装置28。

挡板50、52都在FBHE 24的相对壁之间延伸(仅显示一个24s)，所述相对壁为桥接所述壁14w、24w的壁。挡板50、52彼此隔开一段距离布置。

挡板50、52的每一个包括一个开口O(参见图4)以使在FBHE 24的内部空间中的压力调节(均衡)。

所述挡板50、52被进一步设计为幕，由管子制成，通过其供应90-320巴和270-374℃的水。

挡板50、52促使通过入口端口22流入腔室10的颗粒材料在挡板50向下移动(参见箭头S)，然后在入口端口22至出口端口30之间的路径中流经在相邻的传热装置28之间的所述通道C(图3和4)。

图4显示传热装置(管子)28的弯曲的壁状结构，也是为了更好地说明仅是示例性的。考虑到工业FBHE的尺寸以及从那里通过的固体物质的量，根据具体需要，本领域的技术人员能够设计传热装置28、挡板50和52、空气喷嘴46的精确数量、尺寸和布置。

图4和图5进一步显示管状延伸部分E，从各挡板50、52向下延伸并进入在相邻的传热装置28之间的空间C。延伸部分E与中央进料线CFL流体连通，限定相应的挡板50、52的压力管PP连接至中央进料线CFL。各挡板50、52是由一个或多个所述压力管PP制成，与传热装置28的热交换管ET相似地布置以使270-400℃和90-320巴压力的水从那里通过。

这些延伸管道E装配有连接器B，连接器B具有托架的形状，如图5所示。各托架/连接器B为具有3个开口的梁式设计，热交换管ET的2个相应的管部分和相应的管延伸部分E的一个部分从所述3个开口延伸。为了装配，所述托架B由钢的半架(half shelf)制成，放置在相应的管子/管道周围，然后用螺钉、螺栓、夹钳等封闭。

从图5可以看出，各管道延伸部分E的直径约为相邻的所有同样的传热装置28之间的距离(通道C的宽度)的20％。

同时，这些延伸部分E和托架B使传热装置28和挡板50、52在腔室24中作为一个机械整体和交叉布置。