用于空气预热器装置的温度控制系统的制作方法

本发明涉及用于控制离开燃烧化石燃料的锅炉的空气预热器的气体的温度的方法和设备，并且更具体地涉及通过对燃煤发电厂的已安装空气预热器进行改装来提高下游污染控制设备的运行效率。

背景技术：

1、蒸汽生成系统用于发电并且在化学处理工厂中使用。用于蒸汽生成的能量可通过化石燃料的燃烧提供，化石燃料诸如磨机中粉碎的煤、天然气或燃料油。燃煤蒸汽生成系统通常包括具有燃烧煤粉的炉子的锅炉(其将水蒸发成蒸汽)、空气预加热器(“aph”)和用于废烟气的出口气体(“烟气”)。烟气从aph流过多个污染控制设备，这些污染控制设备被设计成在通过烟囱排出到大气中之前减少气态和颗粒污染物。

2、典型地，旋转再生式热交换器的aph利用异型钢热交换元件从离开锅炉的烟气捕获热(被称为“废热”)并将该热释放到供给到锅炉的燃烧空气中(通常部分地通过一个或多个磨煤机以将煤粉运送到锅炉的炉子中)，由此提高锅炉效率，并且一种此类装置是图1中示意性地示出的三分仓aph 1。

3、三分仓aph 1在其上端(“热端”)处提供并围绕其转子2周向地布置：烟气入口管道d1、初级空气出口管道d4和次级空气出口管道d6，每个管道分别与在其下端或冷端处围绕转子2类似地布置的烟气出口管道d2、初级空气入口管道d3和次级空气入口管道d5轴向地对准。为了便于说明和功能解释，初级空气管道和次级空气管道被示出为径向布置，但真实的布置和构造在本领域中是熟知的并且经常在本技术人的用于其三分仓空气预热器的销售出版物中示出。转子2容纳热交换元件的篮，随着篮旋转，从在管道d1与d2之间流动的烟气提取热量并释放该热量以预热燃烧空气，该燃烧空气作为在管道d3与d4之间流动的初级空气v2(其经由一个或多个磨煤机供给以将煤粉运送到锅炉炉子中)和在管道d5与d6之间流动的次级空气v3(其通过附接到锅炉炉子外部的风箱直接供给到锅炉炉子)的组合流供给到锅炉。热交换元件通常为两种类型，一个上部(“热端”)层用于转子2的热端以最大化相邻(通常设置在上方)的热交换，而另一个下部(“冷端”)层最小化结垢(在转子2的冷端处所经历的较低温度下发生)。在组合中，热交换元件被设计成在仍在例如抑制或避免结垢、氧化和/或酸腐蚀的温度下运行时传递最大量的预热。典型地，初级空气v2占燃烧空气的约20％并且包含从烟气v1捕获的热量的约10％，而次级空气v3是燃烧空气的约80％，包含捕获的热量的90％。

4、观察如图1所示的转子2，应当理解，在任何给定时间，存在位于烟气管道d1与d2之间的“烟气”部分、位于初级空气管道d3与d4之间的“初级空气”部分以及位于次级空气管道d5与d6之间的“次级空气”部分。体积流率为v1的烟气v1在与转子2的“烟气”仓的热端相邻处以烟气入口温度t1离开其入口管道d1，并且在与该仓的冷端相邻处以较低烟气出口温度t2进入其出口管道d2。相反地，体积流量为v2的初级空气v2在与转子2的“初级空气”仓的冷端相邻处以空气入口温度t3(通常在主要环境空气温度附近)离开其入口管道d3，并且在与该仓的冷端相邻处以初级空气出口温度t4进入其出口管道d4。同样地，具有体积流速v3的次级空气v3以大约相同的空气入口温度t3离开其入口管道d5，并且与该仓的冷端相邻处以次级空气出口温度t5进入其出口管道d6。转子2自身的温度将在紧邻烟气入口管道d1时其热端处的高热端金属温度t6与紧邻次级空气出口管道d6时其冷端处的低冷端金属温度t7之间变化。可利用本地传感器或以其他已知方式测量或估计这些温度。

5、在典型的三分仓aph构造中，这些管道以“g-p-s”构造布置，即“正向”旋转aph，其中在转子2的旋转方向上，作为烟气管道的g后面是作为初级空气管道的p，p后面是作为次级空气管道的s，即，转子2的任何给定径向部分在烟气管道d1与d2之间、然后在初级空气管道d3与d4、最后在次级空气管道d5与d6之间旋转，使得初级空气在次级空气之前被预热，以大约每分钟1转的速率重复该过程。在“g-s-p”构造(或“反向”旋转aph)中，将容易理解次级空气在初级空气之前被预热。

6、在正常运行期间，v1、v2和v3的体积流量值将各自在锅炉以低负载运行时的相应最小值与其以全负载条件运行时的最大值之间变化。这些体积流量还部分地由aph的不同上游和/或下游的相应管道中的风扇(例如，风扇600)的操作来控制，并且具体地，采用初级空气风扇和次级空气风扇。风扇操作可被影响和控制以增加和/或维持流量，例如以补偿管道和/或污染控制设备(诸如aph)中固有的压降。此外，针对初级空气v2和次级空气v3不同地控制初级空气风扇和次级空气风扇的操作，使得前者升高至更高压力，例如以有利于将煤粉从磨机运输到炉子。通常，次级空气v3具有10至30英寸水柱的压力，并且初级空气v2具有40至60英寸水柱的压力。这种更高压力的一个结果是，初级空气v2相比于次级空气v3具有更高的压缩热，这可部分地可观察到，因为t4通常高于t5。

7、一般来讲，除了稍后所述的情况，空气入口温度t3s将在主要环境和/或局部空气温度t3处或附近保持基本恒定，而初级空气入口温度t3p由于由初级空气风扇或初级空气增压风扇(如果后者与次级空气风扇结合使用以将初级空气吹过aph)引起的附加压缩而略高于次级空气入口温度t3s(例如，高约20℉)。然而，其他温度t将根据锅炉负载和随之产生的体积流量在相应的最小值与最大值之间变化。存在平均冷端温度t7的实际最小值，即，其应达到或高于基于锅炉燃料特性的工业建立标准例如以减轻酸腐蚀。平均冷端温度(acet)是空气入口和气体出口温度的平均值。应当理解，即使当在旋转期间实际冷金属温度t7实际上低于酸露点时，也能达到该平均值，尽管在大部分情况下acet最好高于露点。

8、另外，存在初级空气出口温度t4的实际最大值，因为初级空气必须具有低于给定最大值(在该最大值处可能在炉子外发生煤颗粒的自燃，从而导致磨煤机着火和灭火设备开始工作)的磨机入口温度t8(未示出)。即，还存在与煤粉的含水量相关(特别是与高水分褐煤或柴煤相关的)的磨机入口温度t8的实际最小值。应当理解，煤颗粒如果仍然是湿的则不能有效燃烧，因此必须将它们干燥到一定程度。这可在炉子内进行，但这将降低其总效率，因此优选的是，潮湿颗粒在被供给到炉子中之前被初级空气基本上干燥，即，使用来自烟气或风扇操作(例如，风扇600)的预热。这是为什么t3p高于t3s是理想条件的一个原因。

9、典型地，不测量t8，而是控制初级空气出口温度t10(未示出)，并且对初级空气流进行调温以具有在t10min(促进适当的煤干燥)与t10max之间的温度(确保在磨机中没有煤自燃)。us 3373520(hottenstine)和us 4442783(pajonas等人)中公开了对初级空气进行调温(即改变空气温度)的各种手段。对空气进行调温包括但不限于通过调温装置调节或改变空气的温度，即冷却或加热，调温装置包括例如风扇、浴槽、冷却系统、加热系统、添加不同温度的空气。

10、应当理解，任何aph的主要目的是从烟气中去除热以预热燃烧空气，从而减少排放到大气中的废热量并有效地减少加热炉子所需的燃料量，由此提高锅炉效率。因此，aph设计的公认目标是最大化所捕获的热量以预热次级燃烧空气，从而最小化烟气出口温度(例如t2)并同时将冷金属温度t7保持在高于所需的最小值，由此提高aph自身的热传递效率。

11、实际上来说，对于任何给定的锅炉负载，燃烧空气需要的体积流速(也可能是质量流速)是固定的，例如v2+v3，并且因此仅需要这么多的预热，从而导致在中等负载下烟气出口温度t2高于在峰值负载条件期间利用固有的增加烟气流量可能能够达到的温度。在这种情况下，已经发现，所达到的烟气出口温度t2对于设置在aph紧邻下游处的静电除尘器(esp)(未示出)的有效运行而言太高，静电除尘器用于例如捕获烟气中的颗粒污染物，诸如粉煤灰。为了克服该问题，美国专利6089023提出向aph过度供给超过作为燃烧空气所需体积的空气，然后例如从次级空气出口管道d6放出aph上游的“不想要的”过量空气(用于其他用途或简单地倾倒至大气中)，从而提供可接受的较低烟气出口温度，例如t2(所谓的“过度供给技术”)。应当理解，当在保持期望的低烟气出口温度(例如t2)时被排放到大气中，不想要的过量空气实际上是废热，因此降低了aph和锅炉的运行效率。

12、近来，出现了使用具有零排水的锅炉的需求，从而避免需要水处理工厂在将废水排放到环境中之前去除污染物。已知设置了诸如喷雾干燥器吸收器(sda)的蒸发系统。如稍后所述，其他此类蒸发系统包括例如循环干式洗涤器(cds)，并且所有此类系统均用于蒸发废水，以便减少或消除水排放。直接或进一步在其他污染控制设备的下游向这些系统供给离开aph的烟气。这在高负载下不是问题，因为在此类设计负载下的烟气出口温度(例如t2)和体积流量v1足够高以促进例如sda内的完全蒸发，即t2处于特定体积流量v1所需的温度t9以促进接近100％的蒸发。应当理解，需要保持t2≥t9，否则sda对于零排水将不是完全有效的，并且剩余的水将需要通过sda本来想要替代的废水处理设备进行处理。应当理解，sda和cds各自以在许多方面类似的已知方式蒸发水。

13、在过去，即使在电网基本负载条件期间，燃煤发电站也在高负载/输出下运行，并且aph针对此类条件进行优化，并且固有地因此t2≥t9对于sda运行是理想的。在高于50％全负载的中等负载条件期间，烟气出口温度t2可能固有地对于有效的sda运行而言太低，并且因此需要升高该温度以实现零排水。已知通过在进入aph之前使用蒸汽盘管加热次级空气来达到t2≥t9的期望升高，使得aph空气入口温度远高于环境温度的温度，这继而将升高离开aph 1的烟气的温度t2。但此类系统本身在正常负载条件下仍然不能达到t2≥t9，并且在低负载条件下(特别是典型地低于50％负载，如33％设计负载(所谓的“蒸汽盘管技术”))也不能达到。不论效率如何，应当理解，蒸汽盘管技术将热量从锅炉转移，该热量原本可能用于发电，这伴随着锅炉效率的降低。

14、随着当今能源市场中可再生能源的出现，燃煤蒸汽发生器(锅炉)通常需要在低负载(<50％全负载，例如典型地33％设计负载或全负载)下长时间运行。许多燃煤锅炉初始并不是设计成以这种模式运行；并且对于它们所安装的aph，低负载运行通常导致较低或次优的烟气出口温度t2以及较低的初级空气出口温度t4和次级空气出口温度t5。由于在此类条件下，t2远低于有效sda运行所需的t9值，即通常实现或接近100％的废水蒸发，因此需要升高离开aph的烟气的温度，并且如前所述，蒸汽盘管技术的使用自身是不够的并且在低负载条件下完全无效。因此，对于任何给定的体积流量v1，必须使用诸如天然气或油燃烧器的次级热源将烟气加热至高于离开aph的温度，以达到烟气温度≥t9(所谓的“二次燃烧器技术”)。应当理解，用aph下游的任何二次燃烧器技术加热烟气对锅炉效率具有负面影响，并且需要资本、燃料和维护成本才能运行。

15、本技术人希望避免在此类低负载条件下(典型地小于50％全负载，例如33％设计负载)产生使用二次燃烧器技术的增加成本，因此考虑了是否可使用上述过量供给技术来达到升高的烟气出口温度t2，结果发现无法实现。从以上对这些技术的书面评估中应当理解，得自现有技术的显而易见的唯一解决方案将是例如用比通常的蒸汽盘管大得多的蒸汽盘管来升级当前使用的蒸汽盘管技术。本技术人相信下面描述的发明解决了与现有技术相关的问题，并且克服了由显而易见的解决方案导致的问题，并且提供了新颖的非显而易见的解决方案。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是提供一种aph温度控制系统，该系统用于提供处于有利于污染控制设备的有效运行的温度的离开烟气并且不需要在低锅炉负载条件下使用二次燃烧器技术和/或蒸汽盘管技术。在一个实施方案中，污染控制设备可包括水蒸发系统，诸如喷雾干燥吸收器(sda)、循环干式洗涤器(cds)或湿式洗涤器(例如，湿式fgd)。本发明可允许将更多试剂注入污染控制设备中，这提高了去除效率。污染控制设备可受益于低负载下较高的气体入口温度，这改善了水平衡并降低了水处理要求。

2、还设想本发明解决了与最低运行温度相关的问题。另外，本发明解决了与酸露点和腐蚀相关的问题。设想本发明解决了与二氧化硫(so2)去除效率、试剂利用和水平衡相关的问题。

3、在本发明的一些实施方案中，设想本发明导致较少质量可用于热传递，从而导致烟气出口温度升高。取决于所使用的系统，提高用于污染控制设备的烟气温度具有益处，包括但不限于增加工业用水的量和降低运行所需的最小负载。在本发明的一些实施方案中，还设想本发明提高了用于磨机的初级空气温度，从而提高了煤干燥和磨机出口温度。在本发明的一些实施方案中，设想aph气体出口温度升高，从而升高了平均冷端温度。在本发明的一些实施方案中，设想次级旁路导致烟气出口温度升高，升高aph气体出口温度，并且升高酸露点接近温度。

4、本发明包括用于空气预热器的温度控制系统。在一个实施方案中，温度控制系统包括二分仓空气预热器(100)，该二分仓空气预热器具有：被构造用于将烟气从锅炉供给到二分仓空气预热器(100)的烟气入口管道(d1)；被构造用于从二分仓空气预热器(100)排出烟气的烟气出口管道(d2)；被构造用于将空气传送到二分仓空气预热器(100)的燃烧空气入口管道(d50)；被构造用于从二分仓空气预热器(100)排出空气的燃烧空气出口管道(d100)，燃烧空气出口管道(d100)与初级空气管道(d40)和次级空气管道(d60)流体连通，次级空气管道(d60)在初级空气管道(d40)的下游，次级空气管道(d60)被构造用于将第一量的初级空气(v20)经由至少一个粉碎磨机供给到锅炉并将第二量的次级空气(v30)直接供给到锅炉；具有靠近烟气入口管道(d1)的热端和靠近燃烧空气入口管道(d50)的冷端的热交换转子(20)，次级空气(v30)的量大于初级空气(v20)的量；以及与燃烧空气入口管道(d50)和次级空气管道(d60)连通的空气预热器旁路管道(d70)，空气预热器旁路管道(d70)被构造成将燃烧空气(v300)的一部分作为次级空气旁路(v40)从二分仓空气预热器(100)上游的空气入口管道(d50)放出以在下游再次引入次级空气管道(d60)；以及用于控制次级空气旁路(v40)的体积流量并将初级空气流(v20)调温的流量控制装置(dv10)，初级空气流(v20)被构造成将烟气出口温度(t2)保持在处于或高于针对离开二分仓空气预热器(100)的烟气体积流量(v1)的第一预定最低温度(t9)，以将初级空气出口温度(t10)保持在有利于煤在粉碎磨机中干燥所需的最低温度(t10min)至将导致煤在粉碎磨机中自燃的最高温度(t10max)的安全范围内。

5、在一个实施方案中，温度控制系统包括三分仓空气预热器(1)，该三分仓空气预热器具有：被构造用于将烟气从锅炉供给到三分仓空气预热器(1)的烟气入口管道(d1)；被构造用于从三分仓空气预热器(1)排出烟气的烟气出口管道(d2)；被构造用于向三分仓空气预热器(1)提供初级空气(v2)的初级空气入口管道(d3)；被构造用于经由至少一个粉碎磨机将第一量的初级空气(v2)供给到锅炉的初级空气出口管道(d4)；被构造用于将次级空气(v3)供给到三分仓空气预热器(1)的次级空气入口管道(d5)；被构造用于将第二量的次级空气(v3)直接供给到锅炉的次级空气出口管道(d6)；具有靠近气体入口管道(d1)的热端和靠近空气入口管道(d5)的冷端的热交换转子(2)；与空气入口管道(d5)和空气出口管道(d6)连通的至少第一次级空气旁路管道(d7)，次级空气旁路管道d7被构造成将次级空气(v3)的一部分作为次级空气旁路(v4)从三分仓空气预热器(1)上游的空气入口管道(d5)放出以在下游再次引入空气出口管道(d6)；以及用于控制次级空气旁路(v4)的体积流量并将初级空气流(v2)调温的流量控制装置(dv1)，初级空气流(v2)被构造成将烟气出口温度(t2)保持在处于或高于针对离开三分仓空气预热器(1)的烟气体积流量(v1)的第二最低温度(t9)，以将初级空气出口温度(t10)保持在有利于煤在粉碎磨机中干燥所需的最低温度(t10min)至将导致煤在粉碎磨机中自燃的最高温度(t10max)的安全范围内。

6、在一些实施方案中，当空气预热器是三分仓空气预热器(1)时，控制系统还包括：与初级空气入口管道(d3)和初级空气出口管道(d4)连通的初级空气旁路管道(d8)，初级空气旁路管道(d8)被构造成从三分仓空气预热器(1)上游的初级空气入口管道(d3)放出初级空气(v2)的一部分作为初级空气旁路(v5)以在下游重新引入初级空气出口管道(d4)；以及用于控制初级空气旁路(v5)的体积流量的第二流量控制装置(dv2)。

7、在一些实施方案中，当空气预热器是二分仓空气预热器(100)时，在低负载条件下次级空气旁路(v40)占供给到二分仓空气预热器(100)的次级空气(v30)的5％至15％。

8、在一些实施方案中，当空气预热器是三分仓空气预热器(1)时，在低负载条件下次级空气旁路(v4)占供给到三分仓空气预热器(1)的次级空气(v3)的5％至15％。

9、在一些实施方案中，当空气预热器是三分仓空气预热器(1)时，在低负载条件下初级空气旁路(v5)占供给到三分仓空气预热器(1)的初级空气(v2)的15％至20％。

10、在一些实施方案中，当空气预热器是三分仓空气预热器(1)时，在低负载条件下次级空气旁路(v4)占10％并且初级空气旁路(v5)占20％。

11、在一些实施方案中，当空气预热器是二分仓空气预热器(100)时，第一预定最低温度(t9)被构造为有利于位于二分仓空气预热器(100)下游的污染控制设备的高效运行以接收离开烟气出口管道(d2)的烟气流量(v1)。

12、在一些实施方案中，当空气预热器是三分仓空气预热器(1)时，第二预定最低温度(t9)被构造为有利于位于三分仓空气预热器(1)下游的污染控制设备的高效运行以接收离开烟气出口管道(d2)的烟气流量(v1)。

13、在一些实施方案中，污染控制设备是喷雾干燥器吸收器(sda)、循环干式洗涤器(cds)或湿式烟气脱硫系统(“fgd”)。在一些实施方案中，污染控制设备被定位成接收在三分仓空气预热器(1)或二分仓空气预热器(100)的紧邻下游的烟气流量(v1)的至少第一部分，从而导致废水蒸发的增加。

14、在一些实施方案中，当烟气体积流量(v1)在低负载条件下处于或高于预定最低温度(t9)时，烟气流量(v1)的至少第一部分蒸发供给到污染控制系统中的废水。

15、在一些实施方案中，次级空气旁路(v4)中的至少一者是压降辅助的并且初级空气旁路(v5)是压降辅助的。如本领域技术人员将认识到的，在本文公开的一些实施方案中，通过例如打开管道、通路等以移动一定体积的空气来提供压降辅助。

16、在一些实施方案中，粉碎磨机(400)包括用于接收燃料的粉碎器入口和用于从其中排出粉碎燃料的粉碎器出口；并且锅炉(500)与粉碎器出口连通，该锅炉被构造成燃烧燃料。在一些实施方案中，二分仓空气预热器(100)和三分仓空气预热器(1)中的每一者包括：被安装用于在心轴上旋转的转子(20)；以及设置在其中的多个热传递元件，该热传递元件被构造成将热传递到流过其的气体，二分仓空气预热器(100)和三分仓空气预热器(1)中的每一者限定热端(20h)和冷端(20c)。

17、本发明涉及一种利用根据前述实施方案中任一项所述的温度控制系统来控制离开空气预热器的气体的温度的方法。

18、本发明涉及一种利用根据前述实施方案中任一项所述的温度控制系统来改装空气预热器装置的方法，其中空气预热器是三分仓aph(1)。在一些实施方案中，该方法包括利用由预先存在的风门阀(dv2)节流的预先存在的初级空气旁路管道(d8)；以及安装能够由风门阀(dv1)闭合的适当尺寸的次级空气旁路管道(d7)，其中在低负载运行期间，在风门阀(dv1)打开并且风门阀(dv2)完全打开时，初级空气出口温度(t4)升高足以将初级空气出口温度(t10)升高到至少最低初级空气出口温度(t10min)的预定量。

19、在改装方法的一些实施方案中，流入三分仓空气预热器(1)的初级空气的10％至20％被旁路，并且次级空气旁路管道(d7)可将流入三分仓空气预热器(1)的次级空气的约0％至10％旁路。

20、本文中更详细地描述了前述实施方案及其他实施方案。