泡帽组件的制作方法

专利名称：泡帽组件的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及用来发电和发生蒸汽的燃料燃烧的领域，具体来说，涉及一新颖和有效的用来将一流化介质供应到一流化床的泡帽组件。
背景技术：
循环流化床(CFB)技术是一种普遍地用作燃烧固体燃料来发生蒸汽和发电的吸引人的方式。这种普遍性见诸于国内外。在一燃烧装置中，CFB技术提供带有低排放的良好的燃烧效率，并提供燃料的灵活性，因为它特别适合于燃烧诸如煤、废煤、无烟煤、褐煤、石油焦炭和农业废料的大范围的固体燃料。因此，它在公用事业和工业中的应用中已显现为一环境可接受的技术。
在一循环流化床的加热炉或锅炉中，通常包括压碎的燃料、石灰石和灰的床体材料悬置在空气流中，约为化学计量燃烧所需要空气总量的60-70％。床底被水冷却的膜墙支承，膜墙带有均匀分配空气的空气喷嘴。燃料和石灰石吸附剂(用于硫吸附)输送到下部床。在流化空气存在的情况下，燃料和石灰石在湍流的环境下迅速和均匀地混合，并表现为一流体。燃料中的碳颗粒暴露在燃烧空气中。燃烧空气的平衡作为二次空气引入到下部密集床的顶部。该分级的燃烧限制氮的氧化物(NOX)的形成。
床的流化空气速度大于床中大部分颗粒的热速度，因此，流化空气淘选向上的颗粒通过燃烧室到加热炉出口处的U形梁分离器。由这些U形梁截住的固体包括任何未燃烧的碳和未利用的氧化钙(CaO)，它们直接返回到燃烧室而不通过一外部的再循环。该内部的固体再循环对燃料和石灰石提供较长的驻留时间，导致有良好的燃烧和改进的硫的捕获。
授予Swanson的美国专利No.4,648,969介绍一种流化床装置，它提供一床板，用来控制通过流体腔室内的流化床的流体的流动。该流化床装置包括一流体腔室，它具有一邻近腔室底部的一入口和一邻近腔室顶部的出口。一颗粒材料、即碳颗粒床用氰化物溶液流化并通过出口流出，而金和银被碳床吸收。床板还设置有多个间隔的泡帽，它们包括一垂直的通道，其延伸通过床板并折流排出的流体。
授予Piekos的美国专利No.5,161,471介绍一用来再燃烧先前燃烧过的一次燃料的灰材的装置，揭示一燃烧容器，它具有一入口和一出口，前者用来从诸如一锅炉或加热炉的一次燃烧单元接纳灰材，后者用来从容器中排出燃烧产物。燃烧空气引入到再燃烧容器内，以提供用于泡床的燃烧空气的下燃烧源和上燃烧源，而向上移动的部件上升跑出泡床。
授予Geoffrey的美国专利No.5,141,047介绍一流化床热交换器，它包括垂直延伸的间隔的用来容纳内部流体的诸管，流体的流动与管壁保持热传递的关系。一包封的外壳包围诸管并容纳移动通过管外部周围的热交换器腔室的流体的固体颗粒的流动。流体气体通过一气体送风腔室引导到固体颗粒中。一泡帽设置在各管的周围，以防止固体颗粒通过进入到送风腔室内，而允许注入流化空气，以流入到热交换腔室内。
授予Kitto的美国专利Nos.5,455,011、5,543,117和5,632,858介绍一系统，其中，燃料和空气在一注射器内燃烧，并与蒸汽混合以形成一燃烧产物和蒸汽混合物。混合物注入到材料床内。燃烧和混合通过限制在注射器内而与床材料分离。注射器是一具有至少一个孔的泡帽，或注射器由陶瓷多孔材料制成。
泡帽广泛地用于流化床技术，用来将诸如流化空气之类的流化介质供应到一流化床内。介质应均匀地分布在规定的床区域上，同时，在所有的时间内(包括流化介质供应关闭时的时间段在内)，防止床颗粒回筛到流化介质供应源内，例如，流化床加热炉的风箱内。


图1A示出一用于CFB的已知的分配器板结构100，CFB使用多个泡帽组件150。为了清晰起见，略去CFB加热炉的部分或燃烧器壁；然而，示出一后加热炉壁105和侧加热炉壁110，它们有利地用流体冷却管制成。分配器板100还包括传输工作流体的流体冷却管115，工作流体通常是水或水和蒸汽的混合物，它们从一入口集管120传输到加热炉壁。形成分配器板100的水平管125彼此间隔，但通过钢膜进行互连，多个孔设置通过该钢膜。在管125下方的是一通气区域130。泡帽组件150连接到分配器板100内的上述的诸孔，并将设置在通气或风箱区域130内的加压的气体的流体供应到颗粒材料(未示出)床内，颗粒材料设置在分配板130的上部，以便流动颗粒材料并在流化床区域140内形成流化床。
一典型的泡帽组件150示于图1B中。如图所示，各个这些已知的泡帽组件150包括一严格意义上的泡帽155，以及一供应管160，通常称之为杆160，它流体地互连风箱区域130和流化床区域140。流化空气沿杆160向上传输到泡帽155内，它从泡帽155通过多个出口孔165分配到流化床。从出口孔165出来的流化空气射流穿过床，在围绕各泡帽155的区域内提供其流动。设置出口孔165来引导流动的气体射出流向下朝向分配器板100。该特征(连同出口孔结构，即，规定的最小的长度对直径的比)确保在流化空气供应关闭时没有发生回筛，以及颗粒材料床坍陷在分配器板100上。
为了提供均匀的分布和流化空气在床中的良好的混合，从出口孔165出来的空气流速度可接近或甚至超过200ft/sec。联系床颗粒的通常的腐蚀特性，这可导致泡帽155的基本的磨损速率。对于一CFB加热炉，泡帽155和杆160通常由不锈钢制成，以便在流化介质关闭和泡帽组件150温度接近床材料的温度时，能承受约1600°F的床温度。定期地更换磨损的不锈钢泡帽，可对这样的CFB单元带来显著的维护保养的费用。
一改进的、维护保养减少的泡帽组件将克服上述的和其它的诸多问题，因此，它将受到工业界的欢迎。

发明内容
陶瓷可承受典型的CFB加热炉的温度。此外，陶瓷远比不锈钢耐磨损，然而，陶瓷泡帽的成本可与不锈钢的成本相比拟。因此，制造陶瓷的泡帽可降低其总体的成本(投资成本加维护成本)。然而，一陶瓷泡帽不能焊接在不锈钢杆上，而当两个元件均由不锈钢制成时，焊接是较佳的选用方法。此外，陶瓷和钢材具有不同的热膨胀系数，不锈钢通常具有比陶瓷材料高的热膨胀系数，对于组装两种类型的材料，不能使用螺纹连接的方法。
因此，本发明的一个方面是得出一改进的适用于CFB和沸腾流化床环境的泡帽组件，它由元件组合而成，其中，承受由流化床颗粒造成的高腐蚀性的元件能耐受腐蚀，而全部的组件能耐受流化床的高温的环境。
本发明的另一方面是提供一泡帽组件，它是流体密封的，灵活地适应热膨胀，且比全不锈钢泡帽组件成本上更有效。
因此，提供一陶瓷泡帽组件，它包括一连接到不锈钢杆上的陶瓷泡帽，它们两者均耐受典型的加热炉环境的高温，其中，泡帽还耐受腐蚀。尽管陶瓷泡帽和不锈钢杆的组合引入不同的热膨胀效应，但不锈钢杆与陶瓷泡帽的连接方法将帽和杆之间的气体的流体泄漏减到最小，这样，不致使该组合变得无效。一诸如一弹簧的耐热销或滚动销插入到基本上垂直于杆的轴线的泡帽的孔内，它接合设置在杆上的槽或凹陷，并防止泡帽与杆脱开。
如果要求的话，通过在泡帽和杆之间提供一弹性的垫片，则泡帽和杆之间的空气泄漏可进一步减小。
表征本发明新颖性的各种特征，特别地在形成为本说明书一部分的附后的权利要求书中予以指出。
为了更好地理解本发明、它的操作优点和通过其使用获得的特定的好处，可参照诸附图，以及示出本发明的一优选实施例的具体的描述。
附图的简要说明在诸附图中图1A是用于使用多个泡帽组件的流化床的已知分配器板结构的立体图；图1B是用于图1A的分配器板结构的典型的现有技术的泡帽组件的放大的立体图(局部剖切)；图2A是根据本发明的泡帽组件的第一实施例的侧视截面图；图2B是示于图2A中的泡帽组件的平面的截面图，沿图2A的箭头2B-2B的方向观察；图3是类似于图2A的侧视截面图，示出根据本发明的泡帽组件的第二实施例，其中，泡帽组件具有一单一的插入孔；图4是类似于图2A的侧视截面图，示出根据本发明的泡帽组件的第三实施例，其中，泡帽组件具有多个插入孔(在此实例中，四个)；图5A是类似于图2A的侧视截面图，示出根据本发明的泡帽组件的第四实施例，其中，杆设置有一个或多个凹陷，而不是一圆形的槽；图5B是示于图5A中的泡帽组件的平面的截面图，沿图5A的箭头5B-5B的方向观察；图6是类似于图2A的侧视截面图，示出根据本发明的泡帽组件的第五实施例，其中，一弹性垫片设置在杆和泡帽之间；图7是类似于图2A的侧视截面图，示出根据本发明的泡帽组件的第六实施例，其中，示出设置在杆和泡帽之间的弹性垫片的一变化的放置方式；图8A是类似于图2A的侧视截面图，示出根据本发明的泡帽组件的第七实施例，其中，使用一弹簧或滚动销来连接泡帽和杆；以及图8B是示于图8A中的泡帽组件的平面的截面图，沿图8A的箭头8B-8B的方向观察。
具体实施例方式
在包括本发明的若干个附图中，在所有的附图中相同的标号表示相同的或功能上类似的元件。一根据本发明的泡帽组件的优选的实施例20示于图2A和2B中。泡帽组件20包括一陶瓷泡帽1，它包含若干个通过一中心的空气通道3连接到不锈钢杆4的出口孔2。杆4的一端插入到泡帽1内，而另一端(未示出)连接到流化介质源，诸如空气或其它的气体的流体。插入到泡帽1内的杆4的一端在其外表面上设置有一圆形槽5。在此实施例中，泡帽1具有两个插入孔6，它们的轴线基本上垂直于杆4的轴线，但该定向对于实践本发明并不是关键的。各插入孔6具有一插入孔中的销7。销7可由任何耐高温的材料制成，例如，不锈钢、陶瓷等。各销7接合杆4上的圆形槽5的一部分，因此，在操作过程中防止泡帽1变得与杆4脱离。
杆4的插入端和泡帽1的匹配表面，以及插入孔和销7的尺寸和公差，以这样的方式选择其允许各元件的热膨胀不受阻碍，同时，最大程度地减小通过其间的一间隙8的空气泄漏，纳入到空气流过泡帽组件20的一规定的百分比之内。通过允许间隙8的横截面面积内的纯流体流动面积不超过出口孔2的总的截面的流动面积的10％，则可实现后者的要求。
如图3和4所示，在本发明的一变化的实施例中，插入孔6的数量，以及设置在泡帽1内的销7的对应的数量，可必要地进行变化。例如，图3和4分别示出带有一个和四个孔6的结构。
如图5A和5B所示，本发明的另一变化的实施例可利用在杆4的插入端的外表面上的凹陷9来代替一个或多个圆形的槽5。
接纳杆4的泡帽1的内直径部分根据接纳在泡帽1内的杆4的外直径(包括任何的制造公差)和热膨胀进行选择，在操作过程中，不锈钢杆4和陶瓷泡帽1将经历所述的热膨胀。
图6和7揭示另一变化的实施例，它允许在杆4的插入端和接纳杆4的泡帽1的匹配内表面上的公差松弛。这可通过提供一由适于高温应用的弹性材料制成的垫片10来实现；一个这样的材料是Kaowool，它可从乔治亚州的Augusta市的MorganThermal Ceramics Inc.的产品中购得。在图6中，垫片10安装在杆4和泡帽1之间，并如图6所示，在这两个元件之间提供一基本上流体密封的连接。因此，由于垫片10提供密封，所以，垫片的方法在杆4和使用的泡帽1之间允许有较大的间隙，由此，进一步减小可能造成泡帽1碎裂的杆4的热膨胀的可能性。
在床材料尺寸分布和CFB单元的操作模式的一定的组合之下，图6的结构可以不要求。例如，如果床材料包含细微颗粒，则这些细微颗粒可仍填充间隙8，至少在间隙8内，高达垫片10相遇的位置点。然后，当流化介质关闭且泡帽组件温度接近周围的床材料的温度时，用固体填满的间隙8将不容纳杆4的热膨胀，并可发生陶瓷泡帽1的碎裂。
因此，图7示出另一变化的实施例，它提供一垫片的泡帽组件20，它克服上述与图6的实施例相关的特定的问题。在此设计中，通过提供一环11，垫片10重新部署在杆4上的下部，环11有利地焊接在杆4上，当杆4插入到泡帽1中时，它位于泡帽1的下方。这将垫片10限制在泡帽1的凹进部分内，并在这样一部位它完全地防止粒状的床颗粒进入间隙8，同时，仍在泡帽1和杆4之间提供流体密封的连接。或者，杆4的外直径可选择或制造成提供一唇部或台阶，或在外直径上类似的尖锐的变化，以便在此部位将垫片10限制在泡帽1和杆4之间的一区域内。最后，图8A和8B揭示耐热销7的结构中的变化。在此例子中，耐热销7不是一普通的固体圆柱销，但可包括一弹簧或滚动销7，它插入到泡帽1的插入孔6内，并接合杆4的插入端的外表面上的圆形槽5或凹陷9。该结构再次防止泡帽1与杆4的脱离。
本发明不局限于使用陶瓷泡帽1的泡帽组件20。其它的耐高温的以及耐磨损的材料也可用来制造泡帽1。除燃烧应用之外的流化床应用也可要求泡帽1用不同的材料制造，它们可更加耐受某些化学品等。同样地，杆4可用不锈钢之外的材料制造，而制造垫片10的材料可不需是由耐高温的材料制成。
尽管已经展示和详细地描述了本发明的特定的实施例，以此来说明本发明的原理的应用，但本技术领域内的技术人员将会认识到，在不脱离这些原理的前提下，还可作出由下面的权利要求所涵盖的本发明形式的许多变化。此外，尽管术语“泡帽组件”已经用于上述的描述中，但该术语的使用只是为了方便，并无任何限制的含义。本技术领域内的技术人员将会认识到，本发明在其最广泛的形式中，是用于一将流化介质供应到一流化床的装置；如此装置用于工业界内的其它的项目包括“柔韧铜辫”或“糖甘蔗”。因此，本发明可适用于新的构造，包括起泡或循环流化床反应器或燃烧器，或适用于如此现存的反应器或燃烧器的更换、修理或改型，在装置用于供应流化介质的应用中，则称之为“泡帽”或其它的称法。在本发明的某些实施例中，某些特征使用的优点突出，不需对应地使用其它的特征。更有甚者，尽管根据本发明的泡帽组件已经描述为传输作为流化介质的空气通过其间，但应该认识到，泡帽组件可用来分配其它的气体的流体，它们可以包括或不可包括空气或含有氧气的气体。因此，所有这样的变化和实施例适当地落入以下权利要求书的范围内。
权利要求
1.一泡帽组件，其用来将一流化介质供应到颗粒材料的流化床，包括一具有两端的杆，其中，一端插入到一泡帽中，插入端具有在其外表面上的一圆形槽和一凹陷中的至少一个，泡帽具有至少一个出口孔，用来将流化介质供应到颗粒材料床内，并具有至少一个插入孔，当泡帽接纳杆的插入端时，该插入孔邻近杆上的圆形槽和凹陷中的至少一个；以及至少一个销插入到插入孔内，并接合杆上的圆形槽和凹陷中的至少一个，以将泡帽连接到杆上。
2.如权利要求1所述的泡帽组件，其特征在于，泡帽由陶瓷材料制成。
3.如权利要求1所述的泡帽组件，其特征在于，销是一弹簧销。
4.如权利要求1所述的泡帽组件，其特征在于，杆是由不锈钢材料制成。
5.如权利要求1所述的泡帽组件，其特征在于，泡帽和杆之间的间隙具有一纯流体流动面积，它不超过出口孔的总的流动面积的一规定的百分比。
6.如权利要求5所述的泡帽组件，其特征在于，泡帽和杆之间的间隙具有一纯流体流动面积，它不超过出口孔的总的流动面积的百分之十。
7.如权利要求1所述的泡帽组件，其特征在于，还包括一密封地接合在杆和泡帽之间的垫片。
8.如权利要求7所述的泡帽组件，其特征在于，当杆插入到泡帽内时，垫片位于泡帽内。
9.如权利要求7所述的泡帽组件，其特征在于，泡帽在泡帽接纳杆的部位处设置有一凹陷部分，而当杆插入到泡帽内时，在凹陷部分处，垫片密封地接合在杆和泡帽之间。
10.如权利要求9所述的泡帽组件，其特征在于，杆设置有用来当杆插入到泡帽内时将垫片限制在凹陷部分内的装置。
11.如权利要求7所述的泡帽组件，其特征在于，垫片由适合于高温应用的弹性材料制成。
全文摘要
一用于流化床的锅炉、加热炉或反应器的泡帽组件具有一泡帽、一杆，以及至少一个销。杆的一端插入到泡帽内。泡帽具有一出口孔，通常用来将流化介质供应到一颗粒材料床，但它防止颗粒材料回筛到泡帽中。泡帽还具有一销可插入其中的至少一个插入孔。当销插入到泡帽的插入孔内时，它也占据杆上的一槽或凹陷，由此，防止泡帽和杆组合的分离或脱开。一弹性垫片可设置在泡帽和杆之间，以形成一流体密封的连接。
文档编号F23C10/18GK1621741SQ200410047469
公开日2005年6月1日 申请日期2004年5月31日 优先权日2003年5月29日
发明者M·马里亚姆齐克, G·L·安德森, J·J·哈赫恩, E·L·克林斯三世, D·J·瓦尔克, J·J·布勒布鲁齐 申请人:巴布考克及威尔考克斯公司, 布拉希精密制陶股份有限公司