專利名稱：超臨界蒸汽加壓循環(huán)流化床鍋爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及動力裝置，特別是涉及在超臨界壓力下工作的加壓循環(huán)流化床(PCFB)鍋爐動力裝置。
在動力工業(yè)中一直存在著對于把礦物燃料轉(zhuǎn)換成電力的高效率動力裝置的日益增長的需求。這種需求隨著清潔燃燒的普通燃料的缺乏和費用問題而變得更加迫切。這種對更高效率動力裝置的需求已經(jīng)導(dǎo)致了在某些常規(guī)的大型動力裝置中超臨界鍋爐裝置的發(fā)展。
超臨界工作是在壓力高于3208磅/英寸2(22118千帕斯卡)的條件下進行的，此時蒸汽不能從液體中分離出來，即是一種單相液體。超臨界動力裝置已經(jīng)在用礦石燃料生火的常規(guī)動力裝置中使用。這些常規(guī)的大型動力裝置通常具有的爐壓十分接近于大氣壓力。
在設(shè)計超臨界鍋爐中主要關(guān)心的問題是在工作條件下能形成并且保持足夠的水質(zhì)量流量通過燃燒室壁上的管道。由于在常規(guī)鍋爐燃燒室中火焰的存在，這是難以做到的。燃燒室中存在火焰將在水壁上產(chǎn)生一個強熱流，因此需要更大的質(zhì)量流量通過該管道才能保持較低的管壁溫度。
這種對更高效率的動力裝置的需求對于低品位的含硫燃料例如在世界許多地區(qū)有豐富儲藏量的煤的轉(zhuǎn)換來說更為迫切。這些低品位燃料在常規(guī)的燃燒室中燃燒時將產(chǎn)生大氣污染。許多這類燃料含有各種雜質(zhì)，例如硫，硫在燃燒過程中將形成各種化合物，例如SO2，它是特別有毒并且污染環(huán)境的。為了從動力裝置的廢氣中除去這些物質(zhì)，已經(jīng)研制出包括洗滌器在內(nèi)的許多裝置。然而這些裝置都十分昂貴，并且對于大部分動力裝置來說它們常常沒有成本效益。
近些年來用燃燒含硫燃料的循環(huán)流化床燃燒室已經(jīng)研制出來的產(chǎn)生蒸汽來驅(qū)動汽輪機。這種循環(huán)流化床燃燒室通過對燃燒室的加壓已經(jīng)得到進一步的改進。該加壓循環(huán)流化床燃燒室利用支承在非篩網(wǎng)格上的顆粒狀石灰石或其他吸著物質(zhì)的混合物工作在比大氣壓力高得多的壓力下。壓縮空氣向上流動通過該網(wǎng)格抬起并使該物質(zhì)流化。這樣就形成了一種具有液體自由流動特性并能提供穩(wěn)定燃燒環(huán)境的流化床顆粒的紊流混合物。導(dǎo)入該流化床的燃料將有效地燃燒，通過燃燒釋放出來的二氧化硫由該鍛燒石灰石通過化學(xué)作用吸收。包括粉塵和鍛燒石灰石在內(nèi)的固體混合物通過該燃燒室重復(fù)循環(huán)，直到該顆粒尺寸減小到足以由旋風(fēng)機淘析為止。
當(dāng)含硫燃料燃燒時，硫和氧就形成二氧化物。石灰石通過燃燒溫度被鍛燒，然后該二氧化硫通過與氧化鈣和氧反應(yīng)形成硫酸鈣。硫的去除取決于二氧化硫分子與氧化鈣顆粒之間的接觸。
申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并且研制出了一種結(jié)構(gòu)，可使燃燒含硫燃料的一個加壓流化床燃燒室(PCFB)被制成能在超臨界蒸汽壓力下工作。該加壓循環(huán)流化床燃燒室可在大大高于大氣壓力的壓力下工作。該PCFB還具有能使它可以避免現(xiàn)有鍋爐的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的某些優(yōu)點。這優(yōu)點包括，在相同的熱負荷下燃燒室具有較小的剖面尺寸，所需要的室壁上的管道數(shù)目可以減少，因而通過這些管道所需要的質(zhì)量流量可以容易地保持。
本發(fā)明的主要目的是提供一種能在超臨界蒸汽條件下工作的新的加壓循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明的主要方面，一個具有加壓循環(huán)流化床(PCFB)鍋爐的動力裝置中裝有一個包括燃燒室壁上的管道的第一回路，該管道能承受超臨界壓力以使冷卻液通過在該室底部的第一集管與該室頂部的第二集管之間的壁，一個位于鍋爐下游的過熱器回路，一個在開始式作時用來把水蒸汽中分離出來的水-蒸汽分離器以及一個用來在正常工作條件下使該分離器旁路的旁路管道。
本發(fā)明的上述以及其他目的和優(yōu)點從下面的說明并結(jié)合閱讀附圖將一清二楚，其中

圖1是本發(fā)明的循環(huán)流化床燃燒室系統(tǒng)的簡圖；以及圖2是示出本發(fā)明循環(huán)流化床燃燒室系統(tǒng)的一個流體回路的簡圖。
參看圖1，圖中示意地示出了根據(jù)本發(fā)明的建造的加壓循環(huán)流化床(PCFB)動力裝置，通常以標(biāo)號10表示。在圖示的實施例中，一個鍋爐和爐殼12形成一個垂直的矩形結(jié)構(gòu)的燃燒室14，在該室的下部設(shè)有進料口，用來輸送燃料，石灰石、循環(huán)的顆粒以及供燃燒和流態(tài)化的初級空氣。爐殼12被包圍在壓力容器16的內(nèi)部，該容器接受圍繞該鍋爐流動的加壓的次級空氣。該空氣在通過第二空氣注射口進入該燃燒室以前用來冷卻該鍋爐及其零件。加壓空氣由一個燃氣輪機的壓縮機供給。燃料(例如煤)的燃燒在燃燒室內(nèi)的大部分蒸汽循環(huán)熱量產(chǎn)生的地方進行。初次和次級空氣的劃分減少了NOx的非放。
燃料從一個適當(dāng)?shù)膩碓蠢缌隙?8供應(yīng)，該燃料與水和石灰石或其他吸收劑相混合后再由例如泵20通過管道輸送到該燃燒室的下部。燃氣輪機壓縮機22把燃燒所需的空氣通過管道24和26供給PCFB的燃燒室中。該燃燒室中的氣體或空氣的速度約為每秒15英尺(4.6米/秒)，其壓力范圍為150～250磅/英寸2(1035～1720千帕斯卡)。由于在該燃燒室各處的連續(xù)不斷的混合以及在熱回路中的固態(tài)燃料的熱慣性，該氣體的溫度從該燃燒室的下部到下部基本上是恒定的。
如圖所示的加壓流化床被做成適用于超臨界工作狀態(tài)工作，即蒸汽壓力高于3208磅/英寸2，(22135千帕斯卡)并且最好壓力范圍為3500～5500磅/英寸2(24150～37950千帕斯卡)。因該燃燒室的壁上鑲裝有垂直配置的水管或管道。這些管子是高壓管，其直徑范圍為1～2英寸(2.5～5厘米)，以取得必需的質(zhì)量流量。熱旋風(fēng)分離器28接受流化的循環(huán)燃料和吸著劑，該吸著劑把固體燃料從熱氣體中分離出來然后再通過30處的環(huán)形水封返回到該燃燒室的下部。熱廢氣沿著管道系統(tǒng)32通過高溫過濾器，例如陶瓷過濾器，在該過濾器中小顆粒物料從熱煙道氣體中被分離出來。然后該熱煙道氣體被輸送到燃氣輪機的擴張機33中，該燃氣輪機驅(qū)動該壓縮機和一個發(fā)電機34使它發(fā)電。從該燃氣輪機排出的氣被輸送到高壓節(jié)熱器36、低壓節(jié)熱器38中然后再到爐身40中。
根據(jù)本發(fā)明，該鍋爐的燃燒室內(nèi)裝有高壓蒸汽管路以便能在3500～5500磅/英寸2(24150～37950帕斯卡)及約540℃的超臨界范圍中工作。本專利申請人發(fā)現(xiàn)，由于該循環(huán)流化床燃燒室的尺寸較小，該加壓循環(huán)流化床鍋爐沒有常規(guī)鍋爐為準(zhǔn)備超臨界蒸汽工作所需要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在相同的熱負荷下，由于PCFB的燃燒室剖面尺寸小于常規(guī)鍋爐的尺寸，冷卻燃燒室壁上的管道就比較容易保持適當(dāng)?shù)乃俣取?br> 參看圖2，圖中示出了本發(fā)明鍋爐的水蒸汽回路的簡圖。在本發(fā)明的一個最佳實施例中，燃燒室的壁上形成或鑲裝有許多高壓管，該管連接在燃燒室底部的集管54上并由此垂直地延伸到燃燒室頂部的集管56上。在集管54與集管56之間是一個平行回路。因此這些壁鑲裝有許多高壓管是為了承受該臨界的蒸汽壓力。從節(jié)熱器36出來的給水通過給水管60輸送到燃燒室底部的集管系統(tǒng)54，再通過管道流到集管56，其中蒸汽通過管路62輸送到管路64然后再到水分離器66中。從該分離器出來的蒸汽通過管路68輸送到過熱器70，從該過熱器出來的蒸汽再通過主蒸汽管72流到一個蒸汽渦輪的高壓級的進口。管路74包括閥V2把蒸汽旁路到該水分離器中，并且當(dāng)初次起動或負荷很低時保持關(guān)閉狀態(tài)。一旦達到超臨界的條件，來自燃燒室集管的蒸汽就直接通過閥76進入該過熱器中。
從水分離器中分離出來的水通過管路78和閥80排到一個除氣器或排水槽中。該燃燒室包括一個預(yù)熱器82，該預(yù)熱器用來通過管路84接受預(yù)熱的冷蒸汽并且通過管路86把蒸汽輸送到汽輪機的中間級88。從該中間級排出的蒸汽通過管路90輸送到該渦輪的低壓級92。該蒸汽渦輪驅(qū)動發(fā)電機94發(fā)電。
從該蒸汽渦輪排出的蒸汽通過管路96進入冷凝器98，再經(jīng)過泵100泵出進入低壓給水加熱器102，然后通過管路104到低壓節(jié)熱器38中。從低壓節(jié)熱器38中出來的水通過管路106輸送到除氣器108中，然后由泵110泵出進入高壓給水加熱器112中，再通過管路114到高壓節(jié)熱器36中。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)工作在該超臨界范圍內(nèi)的該加壓循環(huán)流化床鍋爐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是實用的，并且它具有超過現(xiàn)有常規(guī)鍋爐系統(tǒng)的若干優(yōu)點。這些優(yōu)點中包括具有能在不同的負荷下方便地工作的能力以及保持適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量流量通過該壁上的水管的能力。其他優(yōu)點還有不但能為該流化床鍋爐更方便的取得效率而且還超過常規(guī)系統(tǒng)的效率。較低的燃燒溫度有助于減少NOX的形成。該加壓循環(huán)流化床爐及其所附的過濾器所需要的空間比可替換的常規(guī)系統(tǒng)小得多。該系統(tǒng)在許多方面具有較小的復(fù)雜程度，特別是在較少的燃料供應(yīng)點方面。
一個簡化或不太復(fù)雜的負荷可以通過改變輸送給燃燒室的燃料供應(yīng)速度和初級空氣與次級空氣的比例來實現(xiàn)。該循環(huán)流化床燃室與其他系統(tǒng)相比具有相當(dāng)廣泛地有效使用各種燃料的能力。因此可以認為該系統(tǒng)能理想地適合超臨界蒸汽工作條件并且可以獲得更高的效率。
對上述公開的系統(tǒng)作出許多更改和變化是可能的，在某些情況下，也可以只使用該系統(tǒng)的某些特征而不使用其他特征。因此，雖然本發(fā)明已經(jīng)參照附圖中的具體實施例作了說明，但應(yīng)當(dāng)指出只要不違背在本權(quán)利要求書中所規(guī)定的精神和范圍，可以對本發(fā)明作出各種更改與變化。
權(quán)利要求
1.一種加壓循環(huán)流化床鍋爐，該鍋爐具有一個通常在超臨界條件下工作的水循環(huán)系統(tǒng)，包括一個加壓流化床燃燒室，該室由許多直立的外部側(cè)壁所限定，所限定的燃燒室具有一個垂直取向和一個基本上為矩形的剖面；用來把燃料輸入該室的裝置；用來把顆粒吸著劑輸入該燃燒室的裝置；用來使該燃料和該吸著劑形成并且保持流化狀態(tài)的裝置；用來使至少一部分該燃料和該吸著劑重復(fù)循環(huán)的裝置；一個包括許多用來承受超臨界壓力的高壓管的第一熱交換器回路，該回路包括一個在該燃燒室下部的給水進口集管，一個在該燃燒室上部的出口集管和許多高壓管，這些高壓管鑲裝在該直立的外部側(cè)壁的每塊側(cè)壁上，用來使水通過在該室下部的該進口集管與該出口集管之間的壁板循環(huán)；一個過熱器回路；一個用來把水從該出口集管下游的該第一回路的蒸汽中分離出來并且把該蒸汽導(dǎo)入該過熱器回路的裝置；以及用來在正常工作條件下使該分離裝置旁路的裝置。
2.如權(quán)利要求1中所述的鍋爐，其特征在于該高壓管包括在該燃燒室壁上的1～2英寸的管道。
3.如權(quán)利要求2中所述的鍋爐，其特征在于該管設(shè)計成能承受至少高達3208磅/英寸2的壓力。
4.如權(quán)利要求1中所述的鍋爐，其特征在于該管設(shè)計成能承受至少高達3208磅/英寸2的壓力。
5.如權(quán)利要求4中所述的鍋爐，其特征在于該管垂直地延伸以便從該進口集管平行流動到該出口集管。
6.如權(quán)利要求1中所述的鍋爐，其特征在于該管垂直地延伸以便從該進口集管平行流動到該出口集管。
7.如權(quán)利要求6中所述的鍋爐，其特征在于該高壓管包括在該燃燒室壁上的1～2英寸的管道。
8.一種超臨界加壓流化床鍋爐，該鍋爐具有一個在超臨界條件下工作的水循環(huán)系統(tǒng)，包括一個加壓流化床燃燒室，該室由許多直立的外部側(cè)壁所限定，該所限定的燃燒室具有一個垂直取向和一個基本上為矩形的剖面；用來把燃料輸入該室的裝置；用來把顆粒吸著劑輸入該燃燒室的裝置；用來使該燃料和該吸著劑形成并且保持流化狀態(tài)的裝置；用來使至少一部分該燃料和該吸著劑重復(fù)循環(huán)的裝置；一個包括許多用來承受超臨界壓力的高壓管的第一熱交換器回路，該管在其中垂直地延伸并且鑲裝在該燃燒室的該直立的外部側(cè)壁的每塊側(cè)壁上，該回路包括一個在該燃燒室底部的給水進口集管和一個在該燃燒室頂部的出口集管；一個在該第一回路下游的過熱器回路；蒸汽、水分離裝置，該裝置用來把水從在該出口集管下游的該第一回路的蒸汽中分離出來并且把該蒸汽引入該過熱器回路中；以及用來在正常工作條件下使該蒸汽、水分離裝置旁路的裝置。
9.如權(quán)利要求8中所述的鍋爐，其特征在于該高壓管的直徑為1～2英寸。
10.如權(quán)利要求9中所述的鍋爐，其特征在于該管設(shè)計成能承受至少高達3208磅/英寸2的壓力。
11.如權(quán)利要求1中所述的鍋爐，其特征在于該管垂直地延伸以便從該進口集管平行流動到該出口集管。
12.一種超臨界加壓流化床鍋爐，該鍋爐具有一個在超臨界條件下工作的水循環(huán)系統(tǒng)，包括一個加壓流化床燃燒室，該室由許多直立的外部側(cè)壁所限定，該所限定的燃燒室具有一個垂直取向和一個基本上為矩形的剖面；用來把一種固體燃料輸入該燃燒室的裝置；用來把一種顆粒吸著劑輸入該燃燒室的裝置；用來把壓力空氣輸入該室以使該燃料和該吸著劑形成并保持流化狀態(tài)的裝置；包括一個用來使至少一部分該燃料和該吸著劑分離和重復(fù)循環(huán)的旋風(fēng)分離器的裝置；一個包括一個在該鍋爐底部的給水進口集管，一個在燃燒室頂部的出口集管，許多其直徑為1～2英寸的高壓管的第一熱交換回路，這些高壓管能承受約3500磅/英寸2的超臨界壓力，它們鑲裝在該直立的外部側(cè)壁的每塊側(cè)壁上，用來使冷卻水通過壁板從該室底部的該進品集管到該室的頂部的該出口集管之間循環(huán)。一個在該第一回路下游的過熱器回路；一個蒸汽、水分離裝置，該裝置用來把水從在該出口集管下游的該第一回路的蒸汽中分離出來并且把該蒸汽引入該過熱器回路中；以及用來在正常工作條件下使該蒸汽、水分離裝置旁置旁路的裝置。
全文摘要
一種循環(huán)流化床鍋爐，包括一個流化床燃燒室(14)，一個用來使流化固體重復(fù)循環(huán)通過該燃燒室的重復(fù)循環(huán)系統(tǒng)，許多能承受超高壓的管道(58)配置在燃燒室(14)的周圍，以使位于該燃燒室底部的進口集管(54)與該燃燒室頂部的輸出腔(56)之間的冷卻液循環(huán)流動。一個水、蒸汽分離器(66)把蒸汽導(dǎo)向過熱器(70)中，在正常工作期間該水、蒸汽分離器被旁路。
文檔編號F22B29/02GK1132547SQ94193685
公開日1996年10月2日 申請日期1994年10月4日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月8日
發(fā)明者P·K·古恩德 申請人:A.阿爾斯特羅姆公司