Система сжигания в циркулирующем псевдоожиженном слое, включающая теплообменную камеру между отделителем частиц и печью - RU2235943C2

Чертежи

Описание

Предпосылки изобретения

Настоящее изобретение относится к системе сжигания в циркулирующем псевдоожиженном слое и используемой в ней теплообменной камере и, более конкретно, к системе, в которой теплообменная камера расположена между отделителем частиц и печью системы сжигания в циркулирующем псевдоожиженном слое.

Системы сжигания в псевдоожиженном слое хорошо известны и включают печь, в которой сквозь слой измельченного материала проходит воздух для псевдоожижения слоя и для содействия сгоранию топлива в слое при относительно низкой температуре. Слой может включать ископаемое топливо, такое как уголь, а также песок и сорбент для окисей серы, генерируемых в результате сгорания угля. Эти типы систем сжигания часто используют в парогенераторах, в которых вода проходит в псевдоожиженный слой, входя в теплообменный контакт с ним, для формирования пара и обеспечения высокой эффективности сгорания и гибкости использования топлива, высокой степени адсорбции серы и низкой степени выделений азота.

В системах с циркулирующим псевдоожиженным слоем скорость псевдоожижающего воздуха такова, что газы, проходящие сквозь слой, увлекают значительное количество тонко измельченных твердых частиц. Внешняя рециркуляция твердых частиц достигается посредством расположения отделителя частиц, обычно - циклонного сепаратора - на выходе печи для приема дымовых газов и захваченных ими твердых частиц из псевдоожиженного слоя. Твердые частицы отделяются от дымовых газов, и дымовые газы проходят в секцию извлечения тепла, тогда как твердые частицы рециркулируют назад в печь. Эта рециркуляция продлевает задержание топлива в печи и повышает эффективность использования адсорбента серы, таким образом уменьшая потребление как адсорбента, так и топлива.

Циркулирующие псевдоожиженные слои отличаются относительно интенсивной внутренней и внешней рециркуляцией твердых частиц, что делает их нечувствительными к формам выделения топливом тепла, что, таким образом, сводит к минимуму изменения температуры и стабилизирует выделения серы на низком уровне. Когда системы с псевдоожиженным слоем используют для генерирования пара, тепло, выделяемое при экзотермических реакциях, происходящих в печи, может извлекаться теплообменными поверхностями, расположенными в нескольких местах в системе. Стенки печи обычно бывают так называемыми трубчатыми стенками, выполненными посредством приваривания друг к другу труб с использованием ребер. Передающая тепло текучая среда, обычно вода или пар, протекает в трубчатых стенках для охлаждения стенок печи и для получения от них тепла. Внутри печи могут располагаться другие теплообменные поверхности, например, в стенках охлаждаемого циклона, в секции извлечения тепла, расположенной после циклона, или в отдельной теплообменной камере, которая может сообщаться по потоку с внутренней или внешней рециркуляцией твердых частиц.

Печь и циклонный сепаратор могут поддерживаться снизу, при этом конструкция жестко поддерживается в ее донной части, и основное тепловое расширение происходит выше донной части. При разработке большой поддерживаемой снизу установки следует тщательно учитывать механические нагрузки на трубчатые стенки, поскольку общий вес печи передается через стенки нижним частям бойлера, при этом трубчатые стенки испытывают сжимающее напряжение. Может требоваться существенное разделение нагрузки от верхней стальной конструкции посредством использования постоянно нагруженных пружин, что может значительно повышать расходы.

Таким образом особенно относительно больших установок обычно строят поддерживаемые в верхней части печь и циклон, то есть так, чтобы удерживать их на стальной конструкции, построенной на системе и над нею, при этом основное тепловое расширение происходит снизу от нее. Удерживаемую сверху установку обычно легче собирать, чем установку, поддерживаемую снизу. В удерживаемых сверху системах стенки печи могут не быть укрепленными из-за веса бойлера, поскольку трубчатые стенки могут легко выдерживать растягивающее напряжение, вызванное нагрузкой.

Наиболее типичным способом изготовления теплообменной камеры является выполнение ее из стальных пластин, которые термически изолированы и защищены от износа относительно толстым слоем жаропрочного материала. Такие камеры экономически выгодны в производстве, но, вследствие разности теплового расширения, их трудно соединять с другими элементами системы, построенными из трубчатых стенок. Для решения этой проблемы приходится использовать гибкие соединения, такие как металлические или тканевые компенсирующие муфты для приспособления к относительным перемещениям разных частей системы. Однако такие муфты дороги и подвержены износу.

Распространенной практикой является создание внешней теплообменной камеры как конструкции, поддерживаемой снизу. Если печь и циклонный сепаратор системы также поддерживаются снизу, относительные перемещения между разными частями могут быть относительно небольшими, и соединения между ними можно не приспосабливать к значительным перемещениям. Поскольку теплообменная камера обычно расположена вблизи земли, в больших установках также является обычным выполнение теплообменной камеры как поддерживаемой снизу, при том, что печь и циклонный сепаратор удерживаются сверху. В такой конструкции относительные тепловые перемещения могут быть очень большими, и требуются специальные компенсирующие стыки для приспособления к перемещениям между циклоном и теплообменной камерой и печью. Как правило, эти компенсирующие стыки являются очень дорогими металлическими стыками.

Другим способом выполнения теплообменной камеры является изготовление ее корпуса как структуры с охлаждаемыми трубчатыми стенками. Патент США №5911201 описывает подвесную установку, содержащую охлаждаемую теплообменную камеру, объединенную с циклонным сепаратором. Патент США №5425412 описывает способ выполнения печи, циклона и теплообменной камеры из трубчатых стенок и плотного их соединения друг с другом. В такой системе температуры этих элементов очень близки друг к другу и, таким образом, вследствие подобия материалов и конструкций, их коэффициенты теплового расширения очень близки, и между элементами не требуется помещать гибкие стыки. Однако недостаток таких охлаждаемых теплообменных камер состоит в том, что конструкция, особенно если она включает сложные структуры и охлаждаемые входные и выходные соединения, требует большого объема ручной работы по изгибанию и сварке труб и, таким образом, при производстве требует больших затрат времени и средств. Кроме того, в некоторых вариантах их выполнения теплообменные камеры, плотно объединенные с печью, могут занимать слишком большое пространство вокруг нижней части печи. В особенности это касается случая с большими установками, которые имеют очень большую производительность по теплообмену, и, например, требуют наличия большого количества каналов для подачи топлива в нижней части печи.

Краткое описание изобретения

Задачей настоящего изобретения является получение системы для сжигания в псевдоожиженном слое и используемой в ней теплообменной камеры, в которой указанные выше проблемы сведены к минимуму или преодолены.

Более конкретной задачей настоящего изобретения является получение системы сжигания в псевдоожиженном слое и используемой в ней теплообменной камеры, которая экономически выгодна в производстве.

В частности, задачей настоящего изобретения является получение системы сжигания в псевдоожиженном слое и используемой в ней теплообменной камеры, в которой стоимость гибких стыков в соединениях с теплообменной камерой сведена к минимуму.

Еще одной задачей настоящего изобретения является получение компактной системы сжигания в псевдоожиженном слое и используемой в ней теплообменной камеры, в которой получено много свободного пространства вокруг нижней части камеры сгорания, которое можно использовать, например, для подачи различных материалов.

Для решения этих и других задач, согласно настоящему изобретению, получена удерживаемая сверху бойлерная система с псевдоожиженным слоем, содержащая печь, имеющую боковые стенки трубчатой конструкции, для сжигания топлива и получения продуктов сгорания, отделитель частиц, соединенный с печью, для отделения частиц от продуктов сгорания, исходящих из печи, внешнюю теплообменную камеру, соединенную с отделителем частиц, для извлечения тепла из продуктов сгорания, возвратный канал, соединенный с теплообменной камерой, для возврата частиц, отделенных отделителем частиц, в печь, жесткую опорную конструкцию для поддерживания элементов указанной системы, и подвесное средство, содержащее по меньшей мере либо трубы для пара, либо трубы для воды, для подвешивания теплообменной камеры на жесткой опорной конструкции.

Теплообменная камера может быть простой камерой или установкой, включающей несколько камер, клапаны и т.д. Несущие трубы для пара или трубы для воды, которые, когда бойлер работает, содержат воду или пар с температурой, близкой к температуре кипения воды или превышающей ее, под высоким давлением, таким образом, нагреты до температуры от около 300 до около 550°С. Таким образом, трубы для горячего пара или воды подвергаются тепловому расширению, подобному тепловому расширению печи. Подвешивание теплообменной установки на подвесном средстве, содержащем трубы для горячего пара или воды, вместо поддерживания ее на земле или подвешивания на жестких холодных подвесных стержнях, существенно уменьшает относительные тепловые смещения между печью и теплообменной установкой.

Большой бойлер с псевдоожиженным слоем может иметь высоту в несколько десятков метров и, таким образом, тепловые смещения могут быть в пределах десятой части метра. Например, стальная стена длиной 30 м из стали, имеющей коэффициент теплового расширения, составляющий 12×10-6/°С, удлиняется при изменении температуры на 300°С приблизительно на 11 см. Таким образом, если верхние части отделителя печи и теплообменная камера, расположенная на 30 м ниже, зафиксированы, канал от теплообменной камеры до нижней части печи требует гибкого соединения, которое способно удлиняться по вертикали более чем на 11 см.

Согласно настоящему изобретению, подвесное средство теплообменной установки в основном содержит трубы для горячего пара или трубы для воды и, таким образом, требуемая эластичность каналов, ведущих к теплообменной камере, очевидно меньше, чем показанная в предыдущем примере. Согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, теплообменная установка подвешена на стальной конструкции, расположенной над бойлерной системой, и более 60%, более предпочтительно даже более 80% длины подвесного средства теплообменной установки содержит трубы для горячего пара или трубы для воды.

Секция рециркуляции частиц бойлера с псевдоожиженным слоем в типичном варианте содержит отделитель частиц, имеющий цилиндрическую верхнюю часть, коническую нижнюю часть и возвратный канал, соединенный с теплообменной камерой. Отделитель частиц или по меньшей мере ее верхняя часть может быть выполнена как охлаждаемая конструкция с трубчатой стенкой. В типичном варианте горизонтальное поперечное сечение теплообменной камеры имеет приблизительно такую же величину, как у сечения верхней части отделителя частиц. В такой системе теплообменная камера может, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, располагаться под отделителем частиц таким образом, что подвесное средство теплообменной камеры включает подвеску, присоединенную к охлаждаемой верхней части отделителя частиц.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения подвесное средство теплообменной установки включает подвеску, содержащую трубы для горячей воды или пара, и короткие жесткие подвесные стержни. Такая охлаждаемая подвеска, предпочтительно, расположена между теплообменной установкой и верхней частью отделителя частиц. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, по меньшей мере 50% и даже более, предпочтительно по меньшей мере 70% длины подвески между верхней частью отделителя частиц и теплообменной установки выполнены из труб для горячей воды и пара. Трубы для горячей воды или трубы для пара между верхней частью отделителя частиц и теплообменной установкой могут быть, например, линиями подачи пара или воды или удлинениями охлаждающих труб в верхней части отделителя частиц.

В соответствии с усовершенствованной конструкцией, описанной, например, в патенте США №5281398, отделитель частиц может иметь прямоугольную верхнюю часть и несимметричную нижнюю часть, где ближайшая к печи боковая стенка отделителя проходит почти вертикально на всем протяжении до нижней части возвратного канала. Изготовление и обслуживание такого отделителя экономически очень выгодно, и он может соединяться с печью компактным образом. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, который особенно применим для несимметричных отделителей частиц, как описано выше, теплообменная камера подвешена на подвеске, часть которой соединена с возвратным каналом или с нижней частью отделителя частиц, и другая часть - с верхней секцией отделителя частиц.

Предпочтительно в указанном выше варианте осуществления изобретения часть подвески, соединенной с верхней частью отделителя, содержит трубы для горячей воды или пара и короткие жесткие подвесные стержни. Соответственно, часть подвески, соединенная с возвратным каналом или с нижней частью отделителя частиц, предпочтительно содержит короткие жесткие подвесные стержни, соединенные с удлиненным горизонтальным входным коллектором, подающим горячую воду или пар в вертикальные трубы охлаждаемого возвратного канала, или с нижней частью отделителя частиц.

Частицы обычно направляются из теплообменной установки назад, в нижнюю часть печи по каналу, имеющему гибкое соединение. Поскольку теплообменная установка, подвешенная согласно настоящему изобретению, более или менее следует тепловым перемещениям печи, гибкое соединение в канале между теплообменной установкой и печью также не должно выдерживать очень большие перемещения, и достаточно соединение с умеренной гибкостью.

По сравнению с теплообменной установкой, описанной в патенте США №5425412, данная конструкция также обеспечивает компактное техническое решение, но не требует такого большого пространства в нижней части печи. Таким образом, существует большое пространство для различных соединений для подачи, например, топлива, материала псевдоожиженного слоя, сорбента и вторичного воздуха в слой.

Главная идея настоящего изобретения заключается в том, что подвеска теплообменной установки не находится под постоянной температурой, а вместо этого в основном состоит из труб для горячей воды или пара, температура которых приблизительно следует температуре трубчатых стенок бойлерной системы. Эта конструкция значительно уменьшает относительные перемещения между теплообменной установкой и остальной частью бойлерной системы. Таким образом, соединения для значительного перемещения от расширения не нужны. Уменьшенные перемещения будут также уменьшать стоимость компенсирующих стыков и допускают применение тканевых компенсирующих муфт, а не очень дорогих металлических муфт.

Краткое описание чертежей

Приведенное выше краткое описание, также как и другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения будут более полно понятны при ознакомлении со следующим подробным описанием в настоящее время предпочтительных, но тем не менее иллюстративных вариантов, соответствующих настоящему изобретению, данных в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 изображает схематический вертикальный вид системы сжигания в псевдоожиженном слое, соответствующей первому типичному варианту осуществления изобретения;

фиг.2 изображает схематический вертикальный вид системы сжигания в псевдоожиженном слое, соответствующей первому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.3 изображает схематический вертикальный вид второго варианта осуществления настоящего изобретения; и

фиг.4 изображает схематический вертикальный вид третьего варианта осуществления изобретения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Фиг.1 и 2 изображают систему 10 сжигания в псевдоожиженном слое, соответствующую предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Система 10 сжигания используется для генерирования пара и включает печь 12, отделитель частиц 14 (такой как циклонный сепаратор) и теплообменную камеру 16. Печь 12 включает вертикальный охлаждаемый водой корпус, имеющий переднюю стенку 18, заднюю стенку 20, две боковые стенки 22 и 24, дно 26 и свод 28.

В верхней части печи 12 расположен канал 30 для обеспечения прохождения дымовых газообразных продуктов сгорания, произведенных в печи, из печи 12 в отделитель частиц 14. Следует понимать, что предусмотрен надлежащий канал (не показан) для обеспечения прохождения отделенных газов из верхней части отделителя частиц 14 в секцию извлечения тепла, пылеотделитель и в дымовую трубу (не показана).

Стенки 18, 20, 22 и 24 печи 12, а также стенки 74, 76, 80 и 82 отделителя частиц 14 сформированы из множества теплообменных труб, расположенных параллельно и непроницаемо для газа, для проведения нагреваемой текучей среды, такой как вода или пар. Также следует понимать, что на обоих концах каждой из трубчатых стенок расположено множество коллекторов, из которых показан только коллектор 72, которые наряду с дополнительными трубами и связанными с ними циркуляционными контурами будут проводить воду по водяным трубам реактора обычным образом.

Система распределения воздуха включает множество сопел для распределения воздуха (не показаны), установленных в соответствующих отверстиях, сформированных в трубчатой панели 32, проходящей поперек нижней части печи. Трубчатая панель 32 отнесена от дна 26 для образования распределительной камеры 34, которая приспособлена для приема воздуха из внешнего источника (не показан) и для распределения воздуха через сопла в печь 12.

Отделитель частиц 14 содержит прямую верхнюю часть 36, нижнюю часть 38 в форме воронки и возвратный канал 40. Отделяемый измельченный материал проходит из отделителя частиц 14 по возвратному каналу 40 в теплообменную камеру 16. Теплообменная камера 16 экономически выгодно выполнять из металлических пластин, покрытых относительно толстым слоем изоляции для предотвращения эрозии и потери тепла из камеры. Таким образом, внешние стенки камеры 16 не охлаждаются. Естественно, внутреннее пространство теплообменной камеры 16 содержит теплообменные поверхности (не показаны) для извлечения тепла из рециркулирующего измельченного материала в текучую среду, такую как вода или пар, протекающую внутри теплообменных поверхностей в теплообменной камере 16.

Из теплообменной камеры 16 рециркулирующий материал проводится по каналу 44 назад в печь 12 системы 10 сжигания. С каналом 44 может быть соединена линия 46 подачи топлива, по которой измельченный материал, содержащий топливо, может подаваться в печь 12. В нижней части печи 12 могут располагаться дополнительные линии 48 для подачи топлива, а также инертного материала слоя, адсорбента для серы и т.д. Вторичный воздух вводится в печь 12 через входные отверстия 50.

Множество вертикальных стальных опорных колонн 52 проходит от земли 54 к множеству проходящих горизонтально отнесенных друг от друга балок 56. Множество подвесных стержней 58 проходит вниз от балок 56 для удерживания печи 12 и отделителя частиц 14.

Согласно настоящему изобретению, теплообменная камера 16 удерживается множеством коротких подвесных стержней 60 и 62, которые удерживаются трубами для горячей воды или пара. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1 и 2, подвесные стержни 60 удерживаются горизонтальным входным коллектором 72, который подает горячую воду или пар в плоскую стенку 74 отделителя частиц 14. Как можно видеть на фиг.2, даже если возвратный канал 40 сужается вниз, стенка 74 сохраняет его полную ширину на всем протяжении до коллектора 72, что позволяет соединять подвесные стержни 60 по обе стороны от возвратного канала 40.

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1 и 2, можно прикреплять подвесные стержни непосредственно к коллектору 72 труб стенки 74, поскольку возвратный канал циклонного сепаратора отделителя частиц 14 расположен симметрично, как продолжение стенки 74. На противоположной, "обращенной наружу" системы стороне соответствующая боковая стенка 76 отделителя частиц 14 не проходит вниз так низко, как "обращенная внутрь системы" сторона и, таким образом, необходимо использовать другую опорную систему. Если жесткий соединительный стержень проходит на всем протяжении от теплообменной камеры 16 до верхней части 36 циклонного сепаратора отделителя частиц 14, относительные тепловые смещения между внутренней и внешней сторонами могут быть большими, и может требоваться специальное приспособление для компенсации этой разности.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, когда теплообменная камера 16 должна удерживаться верхней частью циклонного сепаратора отделителя частиц 14, в качестве несущей системы используют вертикальные секции 68 линий 66 подачи воды или пара. Главной функцией линий 66 является подача воды или пара в трубчатые стенки отделителя частиц 14 или какую-либо другую часть бойлерной системы 10 сжигания. В варианте, показанном на фиг.1 и 2, нижняя часть вертикальной секции 68 линии 66 подачи соединена с теплообменной камерой 16 коротким подвесным стержнем 62. Соответственно, верхняя часть вертикальной секции 68 линии 66 подачи соединена с верхней частью отделителя частиц 14 коротким подвесным стержнем 64.

Поскольку тепловое расширение подвесных средств на "обращенной внутрь" системы и "обращенной наружу" сторонах теплообменной камеры 16 может, в соответствии с описанными конструкциями, быть очень близким, для компенсации его разности не требуется специальных приспособлений. Кроме того, тепловое расширение подвески близко расширению возвратного канала 40 и нижней части 38 отделителя частиц 14 и, таким образом, применение относительно короткой компенсирующей муфты 70 достаточно для компенсации их относительных тепловых перемещений.

Подвесное средство теплообменной камеры 16 близко следует тепловому смещению остальной части удерживаемой сверху системы 10 сжигания в псевдоожиженном слое.

Таким образом, соединение между теплообменной камерой 16 и нижней частью печи 12 также может быть выполнено просто посредством использования большей частью канала 44, который включает вертикальную часть с короткой компенсирующей муфтой 78. Описанная конструкция компактна в том смысле, что теплообменная камера 16 расположена близко к отделителю частиц 14 и к печи 12. Однако теплообменная камера 16 не занимает какого-либо пространства вблизи нижней части печи 12 или вблизи земли 54. Таким образом, остается много пространства для размещения других возможных каналов и емкостей вблизи нижней части печи 12.

На фиг.3 схематически показано подвесное средство теплообменной камеры 16, соответствующее другому варианту осуществления изобретения. Фактически, фиг.3 показывает модификацию части, показанной на фиг.1, в которой горячий пар или вода подается в трубы боковой стенки 80 и боковой стенки 82 (которая не показана на этой фигуре) отделителя частиц 14 через горизонтальные входные коллекторы 84. Теплообменная камера 16 подвешена на жестких подвесных стержнях 86, прикрепленных к входным коллекторам 84. На фиг.3 показаны три подвесных стержня, но, естественно, их количество может изменяться в конкретных вариантах применения. Если требуется, можно комбинировать типы подвесных средств, показанные на фиг.1 и 3. Также можно удлинить часть труб, например, каждую пятую трубу стеновых труб стенки 76 вниз, например, до уровня входного коллектора 84 и использовать эти трубы как часть подвесной системы теплообменной камеры 16.

На фиг.4 схематически показано подвесное средство теплообменной камеры 16, соединенной с симметричном отделителем частиц 14 согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.4 все подвески теплообменной камеры 16 включают вертикальные секции 68 линий 66 для горячей воды или пара. Эти вертикальные секции 68 соединены с теплообменной камерой 16 и с нижним краем цилиндрической верхней части 36 отделителя частей 14 короткими жесткими подвесными стержнями 62 и 64 соответственно. Таким образом, тепловое расширение подвесками, близко соответствующее расширению нижней части 38 отделителя частиц 14 и возвратного канала 40, и короткой компенсирующей муфты 70, достаточно для компенсации их относительных тепловых перемещений.

Хотя изобретение было описано здесь на примерах в связи с тем, что в настоящее время рассматривается как наиболее предпочтительные варианты осуществления изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничено описанными вариантами, а охватывает различные комбинации или модификации их признаков, и несколько других вариантов применения включены в объем изобретения, определенный прилагаемой формулой изобретения.

Реферат

Система предназначена для использования в энергетике. Удерживаемая сверху бойлерная система с циркулирующим псевдоожиженным слоем включает печь (12), отделитель (14) частиц, соединенный с печью, внешнюю, предпочтительно неохлаждаемую, теплообменную камеру (16), соединенную с отделителем частиц, возвратный канал (16), соединенный с теплообменной камерой, для возвращения частиц, отделенных отделителем, в печь, жесткую опорную конструкцию (52, 56) для удерживания элементов системы и подвесное средство (60, 62, 64, 68) для подвешивания теплообменной камеры на жесткой опорной конструкции. Подвесное средство содержит проходящие, предпочтительно, по 60% его длины по меньшей мере, либо трубы для пара, либо трубы для воды, имеющие температуру от около 300 до около 550°С. Изобретение обеспечивает создание системы сжигания, экономически выгодной в производстве. 16 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула