专利名称：排列形成撞击型粒子分离器的冷却管的制作方法
相关申请的参考条目本申请是2000年7月10日提交的标题为《CFB锅炉中的带有冷却内部元件的微粒收集器通道》的美国申请系列号09/613,132的延续部分申请。该系列号09/613,132的申请援引在此以作参考。除另外声明之外，申请系列号09/613,132中术语的定义对本文揭示的内容同样有效。
发明的领域和背景本发明总的涉及循环流化床(CFB)锅炉领域，尤其涉及由流体冷却管构成的改进的撞击型粒子分离器结构。
CFB锅炉系统是已知的，这种锅炉系统被用来产生工业加工和/或发电用的蒸汽。参见例如Belin等人的美国专利Nos.5,799,593、4,992,085和4,891,052，James等人的美国专利Nos.5,809,940、Daum等人的美国专利Nos.5,435,820和5,378,253以及Alexander等人的美国专利Nos.5,343,830。在CFB反应器中，反应的和不反应的固体通过向上的气流被带入反应器外壳内，其中向上的气流将固体带到反应器的上部的出口，在这里固体通过撞击型的粒子分离器分离。撞击型粒子分离器以交错的阵列放置，从而呈现出一种气流可以通过但所带粒子不能通过的路径。收集的固体回到反应器的底部。一个CFB锅炉装置可以在炉子出口处使用多个撞击型粒子分离器(或凹面冲击构件或U形梁)，从而使粒子从烟气中分离出。这些分离器可以具有多种构造，由于它们的截面最常见地为U形结构，故通常被称为U形梁。
当多个此类撞击型粒子分离器应用于CFB锅炉时，它们被支承在炉子外壳内，并且以至少两排垂直延伸穿过炉子出口开口，而收集的粒子将畅通无阻且不经过地沿后部外壳壁落在收集构件下方。一排中的U形梁的每一相邻对之间的间隙与前一排或后一排的U形梁对齐，从而呈现出用于烟气/固体通过的曲折路径。每一排中的U形梁从烟气/固体的流体中收集并去除去除粒子，而燃料气流则连续地围绕并通过U形梁阵列流动。
这些类形的收集元件与它们的宽度和深度相比通常相对较长。收集元件的形状通常受到两方面因素的规定即，U形梁其本身的收集效率以及U形梁自身支承的能力。当使用这些元件时，它们通常被置于炉子的出口处，并且不加冷却。它们处于炉子的出口处可以防止下游的加热表面被固体粒子侵蚀。因此，U形梁会暴露在烟气/固体的流体的高温中，而U形梁所用的材料必须足够耐热，以提供足够的支承和防损坏的抗力。
长的、自身支承的不锈钢板通道已被成功地用作CFB锅炉中的主要固体收集器上，但是商业上可采用的合适的合金的“蠕变”强度限制了收集元件的长度。通过将长的收集元件分割成若干短的部分，由于一系列间断的支承件以及任意单个部分或元件的较小的重量，各个短的部分的所需强度比长气道少得多。
被冷却或支承一冷却结构的收集元件的制做方法常常包括将若干收集板与水冷却支承管焊接在一起。参见Daum等人的美国专利Nos.5,378,253和5,435,820。然而，冷却管的焊接会增加在焊接处发生的管子泄漏的机率。
此外，以这种已知的设计结构，由于冷却管对定形的收集通道段或元件仅在一些部分接近，因而收集元件的冷却会不平衡。这样，由于收集元件较冷却区域和较热部分之间的不同的膨胀，形成收集元件的板会趋于变形。
此外，必须对由夹带在固体/气体流中的冲击固体粒子对管子本身造成的侵蚀采取保护措施。保护措施可采用不锈钢或陶瓷制成的管子遮板，而遮板又必须沿收集器的整体高度使用，这将进一步增加成本。
发明内容
本发明包括各种流体冷却管的配置方案，这些冷却管用来形成撞击型粒子分离器，它们通常为U形，但也可以为W形、E形、V形或其它形状。此类撞击型粒子分离器可以特别用于循环流化床(CFB)锅炉或反应器中。
因此，本发明的一个方面涉及一种用于从循环流化床(CFB)锅炉的烟气中分离固体的装置。在一实施例中，该装置包括多个位于CFB内的垂直的撞击型粒子分离器。撞击型粒子分离器相互相邻地设置，并且在多排交错地排列中相互水平隔开。每一个撞击型粒子分离器包括多个垂直的冷却管，通过这些冷却管可输送冷却媒质。设置了多个滑动配合元件，这些滑动配合元件具有可以容纳并环绕冷却管的孔，多个滑动配合元件相互协作，从而沿形成侧壁和后壁的冷却管的长度形成一收集通道。侧壁和后壁具有多个独立的垂直定位部分，这些定位部分沿撞击型粒子分离器的高度纵向延伸，每一个定位部分在其端部与相邻的定位部分连接。
本发明的另一个方面涉及一种用于从循环流化床(CFB)锅炉的烟气中分离固体颗粒的装置。在该实施例中，该装置包括多个位于CFB内的垂直的撞击型粒子分离器。撞击型粒子分离器相互相邻地设置，并且至少在两排交错的排列中相互水平隔开。每一个撞击型粒子分离器包括多个垂直的冷却管，通过这些冷却管可输送冷却媒质。形成单个撞击型粒子分离器的多个冷却管通过中间管定位板或杆相互结合或连接，这些定位板或杆至少断续地位于相邻的冷却管之间并沿着这些冷却管焊接，从而形成一整体结构。可以将多个散热片凸头与管子焊接，而后覆上一耐火材料覆层。也可以使用其它的一些抗侵蚀机构，例如陶瓷砖、金属或陶瓷喷敷层、金属或陶瓷铸件、堆焊层以及遮板。
在本发明所附的权利要求书中将详尽地指出构成本发明新颖性的各种特征。为了更好地理解本发明及使用本发明能达到的工作优点及特殊的益处，可参照附图以及对本发明的较佳实施例的描述。
附图的简要说明附图分别为
图1为一种已知的采用一撞击型粒子分离器系统的CFB锅炉设计的示意图；图2为沿箭头2-2的方向观察到的图1中的炉内组U形梁的的截面图；图3为根据本发明的单个的U形梁撞击型粒子分离器的一第一实施例的俯视图；图4为沿箭头4-4的方向观察到的图3中的U形梁撞击型粒子分离器的右视图；图5为沿箭头5-5的方向观察到的图3中的U形梁撞击型粒子分离器的后视图；图6为根据本发明的单个U形梁撞击型粒子分离器的第二实施例的俯视图；图7为沿箭头7-7的方向观察到的图6中的U形梁撞击型粒子分离器的左视图
图8为沿箭头8-8的方向观察到的图6中的U形梁撞击型粒子分离器的后视图；图9为沿箭头9-9的方向观察到的图6中的U形梁撞击型粒子分离器的右视图；图10为根据本发明的单个U形梁撞击型粒子分离器一第三实施例的俯视图；图11为沿箭头11-11的方向观察到的图10的U形梁撞击型粒子分离器的左视图；图12为沿箭头12-12的方向观察到的图10的U形梁撞击型粒子分离器的后视图；图13为沿箭头13-13的方向观察到的图10的U形梁撞击型粒子分离器的右视图；图14为根据本发明的U形梁撞击型粒子分离器装置的另一实施例的侧视图；图15为沿箭头15-15的方向观察到的图14的单个U形梁撞击型粒子分离器截面图；图16为图14下部的侧视图；图17为沿箭头17-17的方向观察到的图16的U形梁撞击型粒子分离器装置的下部的截面图；图18为图14的U形梁撞击型粒子分离器装置的下部的另一种实施例的侧视图；图19为图14的U形梁撞击型粒子分离器装置上部的另一种实施例的侧视图；图20为一撞击型粒子分离器装置的截面图，其中示出了V形收集元件的一种交错配置；图21为本发明的另一种实施例的侧视图，该实施例采用了一人字形收集元件；图22为沿箭头22-22的方向观察到的图21的人字形收集元件结构的截面图；图23为图21和图22所示类形的单个人字形收集元件的截面图；图24为沿箭头24-24的方向观察到的一偏转板的截面图，该偏转板被用于图21和图22的人字形收集元件结构中；图25为一个单个U形梁撞击型粒子分离器的截面图，其中冷却管由根据本发明的欧米伽管构成；图26A为图25的实施例中所用类形的单个欧米伽管的截面图；图26B为另一种实现在图25的实施例中的欧米伽管的方式的截面图，该实施例使用了普通管子和膜片杆；图27为两个互锁滑动配合铸件的截面图，这根据本发明，它们可被设置在冷却管上，形成一单个U形梁撞击型粒子分离器以提高抗侵蚀力；图28为单个U形梁撞击型粒子分离器的截面图，其中根据本发明，冷却管设有与之相连的保护铸件以提高抗侵蚀力；图29为单个U形梁撞击型粒子分离器的部分截面图，其中根据本发明，冷却管设有螺栓固定的保护铸件以提高抗侵蚀力；图30为沿图29中的箭头30-30的方向观察到的单个U形梁撞击型粒子分离器的部分侧视图；图31为根据本发明的人字形收集元件的交错阵列的另一实施例的截面图；图32为图31所示类形的单个人字形收集元件的截面图，根据本发明，该收集元件设有抗侵蚀的耐火材料；图33为图31所示类形的单个人字形收集元件的截面图，根据本发明，该收集元件设有一包围的不锈钢材料以提高抗侵蚀力；图34为图31所示类形的单个人字形收集元件的截面图，根据本发明，其中的冷却管由铸造金属包围以提高抗侵蚀力；图35为一单个U形梁撞击型分离器的另一实施例的俯视图，根据本发明，该粒子分离器由用于输送冷却流体的矩形管道材料构成；图36A为根据本发明的单个U形梁撞击型分离器的下部分立体图，其中，相邻冷却管的下部流体贯通地相互连接以形成180°的弯头；图36B为根据本发明的单个U形梁撞击型分离器的下部的立体图，其中，形成U形梁的相对侧的冷却管的下端流体贯通地相互连接以形成180°的弯头；图37为根据本发明的单个U形梁撞击型分离器的下部的立体图，其中，冷却管的下端流体贯通地与最接近气体路径的地板上方的一公共歧管相连；图38为根据本发明的单个U形梁撞击型分离器的下部的侧视图，其中，冷却管的下端流体贯通地与最接近气体路径的地板的下方的公共歧管相连；
图39为根据本发明的一单个U形梁撞击型粒子分离器的另一种实施例的立体图，其中，各个冷却管的下部设有一防止下部侵蚀的直径减小部分。
较佳实施例的描述此处所使用的术语”CFB锅炉“指其中可发生燃烧过程的CFB反应器或燃烧室。虽然本发明特定引用的使用CFB燃烧室为产生热量的装置的锅炉或蒸汽发生器，但是需理解的是，本发明也可以很容易地用于不同的CFB反应器中。例如，本发明可以应用在化学反应的的反应器，而不是用于燃烧过程用的反应器，或者用于将由在其它地方的燃烧过程产生的气体/固体颗粒混合物提供到反应器中以进行进一步的处理的反应器，或者用于这样一种反应器，该反应器仅提供一外壳，在该外壳中粒子或固体颗粒被夹带在气体中，而该气体不一定是燃烧过程的副产物。类似地，为了便于说明，在下列论述中使用了术语“U形梁”，该术语从广义上指任何类形的可从带有粒子的烟气中收集和去除粒子凹面冲击构件或撞击型的粒子分离器。具体地说，撞击型粒子分离器是非平面的，它们可是U形、V形、E形、W形或任何其它具有一凹面或杯状面的形状，该表面呈现于迎面而来的烟气和夹带的粒子的流体，可以使构件从烟气中收集并去除粒子。
接着，参照附图，其中所有附图中相同或功能类似的元件用相同的标号表面，图1示出了一个以标号10表示的炉子，该炉子包括循环流化床12、排气道14以及微粒返回道16。燃料的燃烧在循环流化床12中进行，并会产生充满微粒物质的热废气或烟气。热气通过炉子10上升到达排气道14，在气体被输送到大气(未图示)之前，从这里气体将穿过和/或通过若干传热表面(例如过热器、再热器或省煤器)17以及清洁阶段。
若干排交错的撞击型粒子分离器20定向在炉子10的上部中，并且通常从炉子顶26处开始支承。第一组粒子分离器22被称为炉内U形梁22，而第二组粒子分离器24设置并定位在炉子出口的下游，该出口由图1中位于组22和24之间的垂直虚线示意性地表示。在烟气中夹带的微粒物质会撞击到撞击型粒子分离器20上，而微粒物质从中分离并直接自由下落回到循环流化床12，在这里可以进行回收微粒的进一步燃烧或反应。一般而言，撞击型粒子分离器20是非平面的，并且其截面最好为U形，但它们也可以为V形、E形、W形或某些类似的凹而结构或杯状结构。
图2为形成炉内组22的U形梁20的炉内U形梁22的截面图，并示出了多排U形梁20是如何相对于相邻各排交错排列的。在炉内组22中各个U形梁20的底部，通常有一形成盘状物或挡板23的平板，其用途是防止烟气和夹带的粒子绕过U形梁20。
接着，参照图3、4和5，其中示出了根据本发明的U形梁撞击型粒子分离器20的第一实施例。各个U形梁20由若干冷却管30构成，这些冷却管30可以由水、蒸汽、两者的混合物或其它一些合适的冷却媒质进行冷却。冷却管30以及以这些冷却管30作为一部分形成的U形梁如同图1中所示出的已知的U形梁20那样垂直定位，并且可以从炉子10的顶26起被支承。形成单个U形梁20的冷却管30一个接着一个排列，如图3所示，可以用四个冷却管30来形成一个单个的U形梁，其中每一个冷却管30位于U形梁的各个角上。这些冷却管30的外径(OD)通常为1″，当然也可使用其它的管径。
如图3、4和5所示，每一个U形梁20还包括多个具有若干孔52的滑动配合元件50，这些孔52位于部分57(如图所示，该部分可以为一扩大部分，以围绕容纳在其中的冷却管30)中并且可容纳各个形成一单个U形梁20的冷却管30。这样，滑动配合元件50可以围绕各个冷却管30，并且通过沿U形梁20的垂直高度相互堆叠而形成一收集通道60。形成U形梁20的各个滑动配合元件50包括两侧壁54和一后壁56。如图4和图5所示，各个侧壁54和后壁56由多个垂直定位部分70构成，而该定位部分70在含有围绕冷却管30的孔52的部分57之间延伸。多个滑动配合元件50的垂直定位部分70沿垂直延伸的冷却管30的长度设置，并且相互结合形成U形梁20的收集通道60。
在垂直定位部分70之间可以设置搭接处80或其它类似的连接机构。在各个垂直定位部分70的顶部和底部的搭接处80可防止气体和固体颗粒在定位部分70之间泄漏，并且允许垂直定位部分尺寸短期和长期的膨胀和收缩。
这样，冷却管30可提供一被冷却的支承件，并可对定位部分70进行定位和冷却。冷却管30还可沿各个定位部分70提供一种独特的对称的温度分布，但又不会使元件变形，而这种元件变形的情况通常会在由于定位部分70的不对称的冷却而产生不对称的温度分布情况时出现。
各个滑动配合元件50可以由合金、陶瓷或其它具有较高热阻的材料构成。在图3、4和5的实施例中，各个滑动配合元件50包括一单个的整体件，该整体件包括两侧壁54和一后壁56，并且该整体件可在冷却管30上滑动。该单个的整体件可为一铸造件或一挤压件。然而，可以理解的是，该滑动配合元件也可以使用其它结构。
接着，参照图6、7、8和9，在另一个实施例中，各个侧壁54以及后壁56是独立的滑动配合元件，这样，需要三个独立的滑动配合元件形成U形梁20的一个单个平面或截面部分。端部57与各个侧壁54和后壁56的孔52在搭接处80重叠。
接着，参照图10、11、12和13，在另一个实施例中，侧壁54和后壁56可以由两个具有L形截面的元件59形成。L形元件59的端部通过搭接处80在后壁56处重叠。
如图6和10中的实施例所示，除图3中示出的四个冷却管之外，还可以使用额外的冷却管30，以形成、支承并冷却收集通道元件。当需要较大尺寸的U形梁20，或者需要不同的冷却管30时，也可以使用这种结构。以这种方法，可以使用较低热阻的材料来形成滑动配合元件50，但又可沿各个U形梁20的垂直高度维持独特的匀衡的温度分布。
在先前提到的Daum等人的美国专利Nos.5,378,253和5,435,820中揭示了被冷却的收集元件，但其中所说明的设计方案未能解决对在大多数商业应用造成防碍的重大的实践困难。如专利′253和′820所示出的，每个分离器元件仅由四个冷却管构成，并焊接有在冷却管之间延伸的膜片杆以形成收集部分。对这种设计的应用造成严重限制的有以下两个方面的原因。第一，取决于当分离器元件以CFB中的温度工作时，膜片杆极限氧化温度对膜片杆的最大宽度造成限制。由于膜片杆被与之相连的管道冷却，所以最大的膜片杆温度发生在由膜片相连的管道之间的中间位置，而该位置处的温度必须保持低于氧化极限温度的可接受的水平。这个方面可以通过使用具有较高氧化极限温度的合金杆来解决，或者甚至可以使用不锈钢管和膜片杆，可以理解的是，这种方法成本非常昂贵，而且实际上这并未能为设计者提供较多的膜片杆最大宽度的增加量。第二，受到膜片杆最大宽度限制的结果，单个收集元件的实际尺寸会受到所需要的有效且性价比高的收集性能要求的限制。
相反，本发明的下列实施例在各个单个分离元件120的每一侧至少采用了三个或更多个冷却管126，并以相应数量的冷却管126形成各个元件120的后部。这样，分离器元件120的尺寸不会受到峰值膜片温度的限制，而分离器元件120可以根据需要设计得尽可能大。因为在收集的固体颗粒由于装填过量而在固体颗粒朝分离元件120的底部的向下游的移动上“散出”之前，单个分离元件120内的较大的截面可使较多的固体量留在截面“中”，由于大尺寸分离器元件120的使用可以实现较长的分离器的使用，所以这一点是很重要的。换而言之，分离元件120具有较长的有效部分。较大尺寸分离元件120的使用意味着需要的/使用的个数较少，这使得CFB锅炉可以做得较窄(对于给定的炉子平面截面积，炉子的深度可以做得更大)，从而降低成本。
图14到图24示出了根据本发明的U形梁撞击型粒子分离器的另一实施例，该粒子分离器标号为100，而该种分离器特别适合用在CFB锅炉中。再次说明，术语“U形梁”是为了便于说明而使用的，该术语从广义上指可从带有粒子的烟气中收集和去除粒子的任何类形的凹面冲击构件或撞击型粒子分离器。具体地说，该撞击型粒子分离器是非平面，它们可以是U形、V形、E形、W形或任何其它具有一凹面或杯状面的形状，该表面存在于接近的烟气和夹带的粒子的流体，可以使构件从烟气中收集并去除粒子。
粒子分离器装置100由多个垂直延伸的、交错的收集U形梁元件120构成，它们至少配置成两排，一上游排122和一下游排124。该装置100可以被用作一组炉内U形梁22或外部U形梁24。U形梁120由多个冷却管126构成，通过这些冷却管126可输送一种冷却媒质，例如水、蒸汽、水汽混合物或者其它适合的冷却流体。通过位于装置100上部128和下部130的上部和下部管道、集管和歧管，冷却流体可以被输送进入及离开U形梁120。对于U形梁120的此类管道、集管和歧管的特定配置形成了本发明的一个重要方面，这将在下文中作更为详细的描述。
接着，回到图15，其中示出了图14的单个U形梁撞击型粒子分离器120的截面图。在本例中，U形梁收集元件设有多个冷却管126，这些冷却管126相互配置形成收集元件的基本轮廓。在本例中，总共使用了十二个冷却管126，但根据所需要的U形梁的尺寸，以及根据流体冷却和压降等因素，也可以使用更多或更少的冷却管126。在U形梁120内的各个冷却管126设有多个凸头(stud)132，这些凸头沿冷却管126的长度并围绕其圆周焊接在管子126上，以使U形梁120用上耐火材料134。形成一特定的U形梁的单个管道126还通过中间管定位板或杆(例如膜片杆136)而相互连接，这些中间管定位板或杆至少断续地位于相邻的冷却管126之间并沿着冷却管焊接，以使U形梁120保持为一整体的固定的结构。膜片136以及凸头132从耐火材料134向冷却管126传导热量，而在冷却管126处这些热量通过内部流动的诸如水和/或蒸汽之类的冷却媒质被传导开。耐火材料134可以通过工厂生产而安装在U形梁120上，以降低成本并确保应用的一致性，或者耐火材料也可以现场安装。
图16为图14下部的侧视图，其中更具体地示出了可以用来向或从U形梁120供给冷却流体的管道、集管和歧管配置的第一实施例。冷却管126的下端与多个垂直的歧管138流体贯通地相连，而这些垂直的歧管138又与一集管140流体贯通的相连。再次说明，这即可以是一进口集管140和相关的进口歧管138，也可以是一出口集管140和出口歧管138。在图16所示的配置中，两排122、124的U形梁120为相同模块的部分，也就是说，它们是从同一个歧管138进行供给的。CFB的尺寸和允许的运输限制将决定单个U形梁120的数量，这些U形梁120可以是已组装好的，也可以运送到现场之后再进行安装。进口或出口管道144可以根据要求来应用及布线。
参照图16和图17，本发明的另一个方面包括冷却管126的使用，该冷却管以适当方式在U形梁的下端弯曲成一盘状物或挡板142，该挡板142将有助于防止气体和夹带的粒子围着U形梁120的下端130绕过。流体冷却盘状物142还设有若干凸头132，并覆有耐火材料134。根据本发明，如果需要，可以在U形梁120的下端使用传统的盘状物或挡板23。
图18为示出了图14的U形梁撞击型粒子分离器装置的下部的另一实施例的侧视图，具体地说，前排122的U形梁120以及后排124的U形梁120每一排都和单个集管138流体贯通地相连。仍然可以应用那些在涉及下部130用作U形梁120内流动的冷却媒质的进口或出口的可能的情况之前提出的那些概念。
图19示出了图18中示出的实施例的上部128的侧视图。这里如图所示，对于每一排122、124的U形梁120而设置的单个进口或出口歧管138与相配的进口或出口管道144相连。
图20为根据本发明的撞击型粒子分离器装置的截面图，其中示出了V形收集元件的交错配置方案。再次说明，各个冷却管126设有多个凸头132，这些凸头沿冷却管126的长度并围绕其圆周焊接在管子126上，以使U形梁120用上耐火材料134。形成一给定的U形梁的单个管道126还通过膜片杆136而相互连接，这些膜片杆136至少断续地焊接在相邻的冷却管126之间，以使其保持为一固定的结构。膜片136以及凸头132从耐火材料134向冷却管126传导热量，而在冷却管126处这些热量通过内部流动的诸如水和/或蒸汽之类的冷却媒质被传导开。耐火材料134可以通过工厂生产而安装在U形梁120上，以降低成本并确保应用的一致性，或者耐火材料也可以进行现场安装。
图21到图24示出了本发明的一实施例，该实施例中使用了通常被称之为人字形收集元件150的配置。各个冷却管126同样也设有多个凸头132，这些凸头沿冷却管126的长度并围绕其圆周焊接在管子126上，以使人字形收集元件150用上耐火材料134。形成一给定的人字形收集元件150的单个管道126也通过膜片杆136而相互连接，这些膜片杆136至少断续地焊接在相邻的冷却管126之间，以使其保持为一固定的结构。膜片136以及凸头132从耐火材料134向冷却管126传导热量，而在冷却管126处，这些热量通过内部流动的诸如水和/或蒸汽之类的冷却媒质被传导开。耐火材料134可以通过工厂生产而安装在U形梁120上，以降低成本并确保应用的一致性，或者耐火材料也可以现场安装。人字形收集元件150可以有选择地沿人字形收集元件150的垂直高度相隔一定距离设置一个或多个偏转板152。这些偏转板152用于引导收集的固体粒子回到人字形收集元件150中。较佳地，通过焊接连上人字形收集元件150的一第一部分154和一第二部分156，当例如用在一CFB锅炉中时，该第一部分基本平行于烟气和固体粒子的流动而延伸，而第二部分与第一部分154相连并相对于第一部分154成角度θ地延伸。角度θ通常约为30°，但也可以为配合一特定的应用而在约10°到90°之间变化。
图22和图23中示出的第二部分156为一平面，但本发明并不仅限于此，如图23中A和B处的虚线所示，该第二部分156也可以为弓形、分段的形状以及成一定角度弯曲。
图23示出了单个V形人字形收集元件150。如图C所示，那些相互成一直线的收集元件150可以在第一部分154的端部处进行连接，或者它们也可以相互独立。
本发明还涉及各种可提高此处揭示的冷却的U形梁撞击型粒子分离器的抗侵蚀力的结构。在图25中，形成单个U形梁120的冷却管包含被称为欧米伽管160的管子，它们如图所示在164处焊接在一起，从而其截面形成所需要的U形梁。在所示出的实施例中，欧米伽管的尺寸可以为1-3/8″乘1″，而壁厚为3/16″。尽管此类欧米伽管60是本技术领域的熟练的技术人员所已知的，但迄今为止，还未了解到有将这些类欧米伽管60用在这种U形梁撞击型粒子分离器中的先例。如图26A所示，每一个欧米伽管设有一个流动通道161以及若干个端部166，这些端部166设有斜面部分，以便于与相邻的欧米伽管焊接164。如图26B所示，欧米伽管可以使用普通管126以及与管顶部焊接的膜片杆137未有效地实现。
图27示出了两个具有孔162的活动铸件170的配置方案，其中的孔162可容纳并环绕冷却管126。活动铸件170具有阳部172和阴部174，以便于相邻铸件的定位。这些铸件170通常可以由低合金金属材料制成，但它们也可以表面覆有“309”合金，以提高其抗侵蚀力。
图28示出了保护铸件180的一种配置方案，这些保护铸件180较佳地可通过如184处所示出的塞焊焊接到冷却管126上。除前边缘之外，铸件180可具有一1/4″的外表面(overface)，而铸件182可设有一1/2″的外表面。如图所示，每种类形的铸件的后部可以被弯曲，使其同将与之相连的冷却管的外径相匹配。
图29和图30示出了保护铸件190的一种配置方案，该保护铸件190将通过螺栓194连接到U形梁撞击型粒子分离器120上，螺栓最好通过保持相互相邻的冷却管126的膜片136或中间金属管定位板。在铸件190中可设置孔192。在两种情况中，铸件最好都通过过膜片或中间管定位板。如果希望，螺栓194可以用与膜片或中间管定位板的任何一侧焊接在一起的凸头代替。如上所述，前边缘处的铸件(未图示)较佳地可以进行塞焊。
图31和图32-34示出了根据本发明的交错排列的人字形收集元件的另一实施例，以及使该实施例提高抗侵蚀力的各种方法。再次说明，可以设置交错排列的撞击型粒子分离器元件，这里，对齐的若干组冷却管126如以前那样连接在一起(用中间管定位板或膜片136)。散热片200以有规律的间隔焊接在冷却管126上，从而为进入的烟气/固体颗粒流动物提供曲折的路径。这些冷却管可以设有抗侵蚀的耐火材料(图32)、一环绕的不锈钢遮板202(图33)(如果需要，可带有膨胀槽)，或者它们也可以由铸造金属或堆焊层204围绕(图34)。
图35示出了单个U形梁撞击型粒子分离器120的另一种实施例，根据本发明，该实施例由用于输送冷却流体的矩形管210构成。如图所示，单个管子元件210可以在212处焊接在一起。较佳地，矩形管210可以由碳钢(SA-178Gr.C)制成，只要通过其中的冷却流体可保持金属温度低于所用碳钢的蠕变范围(大于700°F)即可。
图36A、36B、37和图38示出了根据本发明的单个U形梁撞击型粒子分离器120的下端的特定结构的细节。为了清晰明确，没有示出对冷却管126或任何歧管138的侵蚀保护装置，需理解的是，显然在实践中可以设置这种侵蚀保护装置。如Alexander等人的美国专利No.6,095,095中所揭示的，该专利的内容援引在此以作参考，CFB结构是已知的，其中在炉子出口的下游的排气烟道14内可以设置至少两排外部U形梁，而收集的粒子将沿着地板220返回(本发明的图36A、36B、37和38)。U形梁120的侧部222、224和后部226还是由冷却管126构成。
冷却管126的下端228可以用各种方法流体贯通的连接。例如图36A、36B、37和图38中所示，冷却管126的下端228在直接位于交错的若干排撞击型粒子分离器之下的地板220的近端延伸。地板220形成了CFB锅炉10的排气烟道14。在某些情况中，如图36A所示，形成撞击型粒子分离器120的相邻的冷却管126(例如形成一侧部或另一侧部222、224的那些冷却管，或者形成后部226的那些冷却管)的下端相互流体贯通地相连，使其形成180°的弯头。或者，如图36B所示，形成撞击型粒子分离器120的相对两侧222、224的冷却管126的下端228相互流体贯通地相连，以形成180°的弯头。这些配置结构相对简单，但需理解的是，它们会使冷却撞击型粒子分离器120不能排水。
如图37所示，形成撞击型粒子分离器120的冷却管126的下端228与一公共歧管138流体贯通地相连，该公共歧管138位于排气烟道14的地板220的近端，在本例中是位于地板220的上方，而图38示出了一实施例，其中歧管138位于地板220的下方。需理解的是，在实践中，公共歧管可以部分地或完全地埋在地板220中。更具体地说，这种设计使分离器120能够排水，而来自于各个冷却管的冷却流体的混合物可以提供其它的一些好处，例如消除由于单个冷却管126吸收的热量不均匀而引起的温度的不平衡。另外，如果需要，图38中示出的设计使得能更好地接近各冷却管126与岐管138的焊接处。
最后，图39示出了根据本发明的单个U形梁撞击型粒子分离器120的另一种实施例的立体图，其中各个冷却管126的下部228设有一直径减小部分250，以防止下部228被侵蚀。本实施例采用了Walker等人标题为《对向下游流动的固体颗粒的壁保护》的美国专利No.6,044,805以及公开的PCT申请WO00/68615中所采用的概念的变化形式，这些公开物的内容援引在此以作参考。在那些公开物中，采用了一直径减小部分来消除在壁包围物以及分隔壁结构上的界面处通常存在的不连续性。然而，如图39所示，各个冷却管126的下部228设置有一直径减小部分或区域250来防止对U形梁120下部228的侵蚀。为了实现这种改变，各个管126的外径在260处模锻至一减小的直径。如在上述美国专利6,044,805和WO 00/68615公开物中所揭示的，如果需要，在过渡部分250可以设置成一定形状的耐火材料270，并且可消除通常存在于抗侵蚀的耐火材料处的不连续性。在直径减小部分250下方，下至各个U形梁120的端部同样也可以设置抗侵蚀的耐火材料134。
因此，可以理解的是，各个U形梁撞击型粒子分离器元件可由若干个冷却管构成，这些冷却管相互连接，从而使管子相互相关地保持在适当位置。在一些实施例中，冷却管通过中间管定位板或杆相互结合或连接，而中间管定位板或杆至少断续地在相邻的冷却管之间并沿着冷却管进行焊接，以形成一整体结构。用于引导收集的固体粒子回到分离器元件中的偏转板，如图24中的板152类似，可以用在单个U形梁撞击型粒子分离器的任何一个实施例中。在所有的实施例中，必须对撞击型粒子分离器元件的冷却管进行保护以防其被侵蚀和腐蚀。可以采用各种措施来防止管子被侵蚀，在一些情况下，可以在冷却管上使用活动配合铸件，而在另一些情况下，可以将诸如陶瓷或耐火材料之类的材料与管子相结合以达到侵蚀防护的目的。如上所述，并在形成本发明内容的一部分的附图中所示出的，在本发明的某些实施例中，可使流体送入或送离管子的相关的进口和出口的选定路线以及连接被认为是本发明的一个重要的特征。在某些情况中，进口和出口的连接将决定撞击型粒子分离元件可以生产的模块化的程度，由此加快现场安装进程以及降低成本。在另一情况中，这些连接的特定部分实际上可以形成并实现盘状物或挡板的功能，这些盘状物或挡板被用来与些类U形梁相连，以防止气体围着撞击型粒子分离器元件的端部绕过。当然，需理解的是，普通的未加冷却的金属盘状物或挡板也可以用于本发明的上述结构。
以上示出并详细描述了本发明的特定一些实施例，以说明本发明的原理的应用，精于本技术领域的人员应当可以理解，在不脱离这些原理的情况下，对由下列权利要求书所涵盖的本发明的形式可以做出各种变化。例如，本发明可以用于涉及循环流化床反应器或燃烧室的新的结构，或者用于对现有的循环流化床反应器或燃烧室的进行替换、修理或改变。在本发明的某些实施例中，有时可以使用本发明的特定一些特征以达到有利的目的，而不相应地使用其它的一些特征。因此，所有的此类变化和实施例当完全落在下列权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种用于从在循环流化床(CFB)锅炉中的烟气中分离固体颗粒的装置，该装置包括多个位于CFB内的垂直的撞击型粒子分离器，这些撞击型粒子分离器相邻地设置，并且在多排错开的排列中横向地相互间隔开，每一个撞击型粒子分离器包括多个垂直的冷却管，通过这些冷却管可输送冷却媒质；以及多个滑动配合元件，这些元件具有可以容纳并围绕冷却管的孔，多个滑动配合元件相互协作从而沿由各侧壁和一后壁形成的冷却管的一段长度形成一收集通道，侧壁和后壁具有多个独立的垂直定位部分，这些定位部分沿撞击型粒子分离器的高度纵向延伸，每一个垂直定位部分在其端部与相邻的定位部分相连。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，相邻的垂直定位部分在搭接处相遇。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，侧壁的一第一端覆盖后壁的一第二端，而该第一端和第二端在搭接处相遇。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，多个滑动配合元件相互协作以形成多个垂直的撞击型粒子分离器，这些分离器的截面为U形、E形、W形或某些类似的凹面或杯状的结构。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，侧壁和后侧还包括两个具有L形截面的部分，这两部分具有重叠的端部，这些端部在搭接处相遇。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，滑动配合元件由金属和陶瓷其中一种制成。
7.一种用于从在循环流化床(CFB)锅炉中的烟气中分离固体颗粒的装置，该装置包括多个位于CFB内的垂直的撞击型粒子分离器，这些撞击型粒子分离器相邻地设置，并且至少在两排相互错开的排列中横向地相互间隔开，每一个撞击型粒子分离器包括多个垂直的冷却管，通过这些冷却管可输送冷却媒质，形成一单个撞击型粒子分却器的多个冷却管相互连接形成一整体结构，并且其中在单个撞击型粒子分离器中的至少一个冷却管在其下部被弯曲并布置形成一盘状物，以防止气体围着撞击型粒子分离器的下端绕开。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，垂直的撞击型粒子分离器的截面可以为U形、E形、W形、V形或者凹面或杯状的结构。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，形成单个撞击型粒子分离器的多个冷却管通过中间管定位板或杆而相互连接，这些中间管定位板或杆至少断续地在相邻的冷却管之间并沿着这些冷却管焊接，以形成整体的结构。
10.如权利要求7所述的装置，其特征在于，至少两排的冷却管在撞击型粒子分离器的上部和下部与一公共的歧管流体贯通地相连。
11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，至少两排的冷却管在撞击型粒子分离器的上部和下部与一独立的歧管流体贯通地相连。
12.如权利要求7所述的装置，其特征在于，冷却管设有抗侵蚀装置，这些装置至少由下列中的一种构成多个散热片凸头，这些凸头与冷却管焊接，并覆有耐火材料覆盖层；陶瓷砖；金属或陶瓷喷敷层；金属或陶瓷铸件；堆焊层；以及遮板。
13.一种用于从在循环流化床(CFB)锅炉中的烟气中分离固体颗粒的装置，该装置包括多个位于CFB内的垂直的撞击型粒子分离器，这些撞击型粒子分离器相邻地设置，并且至少在两排相互错开的排列中横向地相互间隔开，每一个撞击型粒子分离器包括多个垂直的冷却管，通过这些冷却管可输送冷却媒质，形成一单个撞击型粒子分离器的多个冷却管相互连接形成一整体结构，并且其中，形成单个撞击型粒子分离器的多个冷却管包括一人字形收集元件。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，人字形收集元件具有一第一部分和一第二部分，该第一部分在使用时基本与烟气和固体粒子流体平行地延伸，而该第二部分与第一部分相连，并且相对于第一部分成角度θ延伸。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，角度θ的范围约为10°到90°。
16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，该装置至少包括一个在第一和第二部分之间延伸的偏转板。
17.如权利要求14所述的装置，其特征在于，在相继各排中的人字形的收集元件的第一部分连接在一起，使其形成气体/固体颗粒流动所用的独立的平行路径。
18.如权利要求13所述的装置，其特征在于，人字形收集元件具有一第一部分和一第二部分，该第一部分在使用时基本与烟气和固体粒子流体平行地延伸，而第二部分与第一部分相连，并且具有弓形和分段形之一的形状。
19.如权利要求13所述的装置，其特征在于，至少两排的冷却管在撞击型粒子分离器的上部和下部与一公共的歧管流体贯通地相连。
20.如权利要求13所述的装置，其特征在于，至少两排的冷却管在撞击型粒子分离器的上部和下部与一独立的歧管流体贯通地相连。
21.如权利要求13所述的装置，其特征在于，冷却管设有抗侵蚀装置，这些装置至少由下列中的一种构成多个散热片凸头，这些凸头与冷却管焊接，并覆有耐火材料覆盖层；陶瓷砖；金属或陶瓷喷敷层；金属或陶瓷铸件；堆焊层；以及遮板。
22.一种用于从在循环流化床(CFB)锅炉中的烟气中分离固体的装置，该装置包括多个位于CFB的气体路径内的垂直的撞击型粒子分离器，这些撞击型粒子分离器相邻地设置，并且至少在两排相互错开的排列中横向地相互间隔开，每一个撞击型粒子分离器包括多个垂直的冷却管，通过这些冷却管可输送冷却媒质，至少有三个相邻的冷却管形成各个分离器的每一侧，形成单个撞击型粒子分离器的多个冷却管通过中间管定位板或杆相互连接，而中间管定位板或杆至少断续地位于相邻的冷却管之间并沿着冷却管焊接，以形成一整体结构，其中，当CFB锅炉使用时，定位板或杆的最大温度不超过形成膜片杆的材料的氧化极限温度。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，至少两排的冷却管的下端在直接位于交错的若干排撞击型粒子分离器下方的地板的近端延伸并形成CFB锅炉的气体路径。
24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，形成撞击型粒子分离器的相邻的冷却管的下端相互流体贯通地相连而形成180°的弯头。
25.如权利要求23所述的装置，其特征在于，形成撞击型粒子分离器的相对两侧的冷却管的下端相互流体贯通地相连而形成180°的弯头。
26.如权利要求23所述的装置，其特征在于，形成撞击型粒子分离器的冷却管的下端与一公共歧管流体贯通地相连，而该公共歧管位于气体路径的地板近端。
27.如权利要求22所述的装置，其特征在于，冷却管设有抗侵蚀装置，这些装置至少由下列中的一种构成多个散热片凸头，这些凸头与冷却管焊接，并覆有耐火材料覆盖层；陶瓷砖；金属或陶瓷喷敷层；金属或陶瓷铸件；堆焊层；以及遮板。
28.如权利要求22所述的装置，其特征在于，该装置包括若干铸件上的滑动件，这些铸件上的滑动件可接收并环绕多个垂直的冷却管，该铸件上的滑动件具有阳部和阴部，以便于相邻铸件定位。
29.如权利要求22所述的装置，其特征在于，该装置包括若干铸件螺栓，这些铸件螺栓通过中间金属管定位板或膜片而螺栓连接在撞击型粒子分离器上而保持各冷却管彼此邻接。
30.一种用于从在循环流化床(CFB)锅炉中的烟气中分离固体颗粒的装置，该装置包括多个位于CFB内的垂直的撞击型粒子分离器，这些撞击型粒子分离器相邻地设置，并且至少在两排相互错开的排列中横向地相互间隔开，每一个撞击型粒子分离器包括多个垂直的冷却管，通过这些冷却管可输送冷却媒质，多个形成一单个撞击型粒子分离器的冷却管相互连接形成一整体结构，其中，形成单个撞击型粒子分离器的多个冷却管包括一人字形收集元件，该人字形收集元件包括以规定间隔焊接到冷却管上的若干散热片，以向进入的烟气/固体颗粒流提供曲折路径。
31.如权利要求30所述的装置，其特征在于，多个垂直的冷却管设有抗侵蚀结构，这些结构至少由下列中的一种构成多个散热片凸头，这些凸头与冷却管焊接，并覆有耐火材料覆盖层；陶瓷砖；金属或陶瓷喷敷层；金属或陶瓷铸件；堆焊层；以及遮板。
32.一种用于从在循环流化床(CFB)锅炉中的烟气中分离固体颗粒的装置，该装置包括多个位于CFB内的垂直的撞击型粒子分离器，这些撞击型粒子分离器相邻地设置，并且至少在两排相互错开的排列中横向地相互间隔开，每一个撞击型粒子分离器包括多个垂直的矩形冷却管元件，通过这些冷却管元件可输送冷却媒质，这些矩形冷却管元件相互焊接以形成一整体结构。
33.一种用于从在循环流化床(CFB)锅炉中的烟气中分离固体颗粒的装置，该装置包括多个位于CFB的气体路径内的垂直的撞击型粒子分离器，这些撞击型粒子分离器相邻地设置，并且至少在两排相互错开的排列中横向地相互间隔开，每一个撞击型粒子分离器包括多个垂直的冷却管，通过这些冷却管可输送冷却媒质，其中，形成单个撞击型粒子分离器的多个冷却管为欧米伽管，这些管子相互连接以形成一整体结构。
34.一种用于从在循环流化床(CFB)锅炉中的烟气中分离固体颗粒的装置，该装置包括多个位于CFB的气体路径内的垂直的撞击型粒子分离器，这些撞击型粒子分离器相邻地设置，并且至少以两排相互错开的排列横向地相互间隔开，每一个撞击型粒子分离器包括多个垂直的冷却管，通过这些冷却管可输送冷却媒质，至少有三个冷却管形成各个分离器的每一侧，形成一单个撞击型粒子分离器的多个冷却管相互连接形成一整体结构，其中，每一个冷却管的下部设有一直径减小部分，以防止对下部的侵蚀。
35.如权利要求34所述的装置，其特征在于，该装置包括覆盖在每一个冷却管的直径减小部分的成定形的陶瓷砖，以防止所述部分被侵蚀。
36.如权利要求35所述的装置，其特征在于，该装置包括位于冷却管下部一部分上的抗侵蚀耐火材料，而该部分位于在直径减小部分之下。
37.如权利要求1、7、22、30、32、33和34中任何一项所述的装置，其特征在于，该装置包括至少一个偏转板，该偏转板在各个分离器元件的侧部之间延伸。
38.如权利要求1、13、22、30、32、33和34中任何一项所述的装置，其特征在于，该装置包括一在撞击型粒子分离器的底部的盘状物或挡板，以防止烟气和夹带的粒子绕过撞击型粒子分离器。
全文摘要
一种用于从在循环流化床(CFB)锅炉中的烟气中分离固体颗粒的装置,该装置包括多个垂直的撞击型粒子分离器,这些分离器由位于CFB内的多排交错排列的冷却管制成的。一个实施例使用了多个堆叠的滑动配合元件,该元件具有可容纳冷却管的孔。滑动配合元件相互协作形成一收集通道,该通道通常为U形,它可以从通过粒子分离器输送的烟气中分离出粒子。在单个滑动配合元件之间的搭接处可防止气体和固体颗粒从中漏出,并允许热膨胀。或者,该撞击型粒子分离器包括的冷却管相互连接以形成一整体结构。与冷却管焊接在一起并覆盖耐火材料的散热片凸头、陶瓷砖、金属或陶瓷喷敷层、金属或陶瓷铸件、堆焊层和或遮板可提供抗侵蚀力。
文档编号F22B37/00GK1387938SQ0212046
公开日2003年1月1日 申请日期2002年5月24日 优先权日2001年5月25日
发明者D·J·沃克, S·M·卡维达斯, M·马里安契克, F·贝林, K·C·亚历山大, D·R·吉布斯, D·E·詹姆斯, D·L·维茨克 申请人:巴布考克及威尔考克斯公司