專利名稱：具有合并的對(duì)流段和輻射段的氧-燃料燃燒系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)涉及燃燒系統(tǒng)。特別地，本公開(kāi)涉及合并對(duì)流段和輻射段的燃燒系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
水管有效地接受大的熱通量(heat flux)而不破壞由金屬制成的管。過(guò)熱蒸汽管在有效鍋爐運(yùn)行中是重要的，但由于降低的每單位體積的熱容，不能接受與水管一樣高的熱通量。已知系統(tǒng)不保護(hù)過(guò)熱管免受輻射段中盛行的高熱通量的破壞。暴露在高熱通量下的未保護(hù)的蒸汽管受到破壞和/或故障。因此，已知空氣/燃料鍋爐包括與過(guò)熱蒸汽分開(kāi)的對(duì)流段，其中熱通量較低，但總煙道氣焓仍相對(duì)較高。在氧/燃料燃燒條件下，當(dāng)離開(kāi)鍋爐的氣體溫度保持不變時(shí)，在輻射段中發(fā)生的熱釋放百分比大于空氣/燃料燃燒。為克服這一點(diǎn)，已知系統(tǒng)包括煙道氣再循環(huán)(FGR)以通過(guò)吸收輻射段中的一部分熱來(lái)降低火焰溫度，由此降低爐氣體離開(kāi)時(shí)的溫度并隨后使其在對(duì)流段中被吸收。使用FGR傳熱提高煙道氣處理系統(tǒng)的復(fù)雜性、對(duì)流段和鍋爐的尺寸并因此提高該系統(tǒng)的總資本和運(yùn)行成本。來(lái)自在氧氣中的煤燃燒(被稱作“氧/煤燃燒”)的熱釋放和火焰溫度不同于在空氣中的煤燃燒(被稱作“空氣/煤燃燒”)。在空氣煤燃燒中，火焰溫度低于且煙道氣體積高于氧/煤燃燒。與空氣/煤燃燒相比，氧/煤燃燒中較高的火焰溫度和較低的煙道氣體積造成可用于對(duì)流段的熱抽取的降低和可用于輻射段的熱抽取的提高。氧/煤燃燒的另一挑戰(zhàn)是爐排出氣體溫度。主要基于對(duì)流段管(convective pass tube)結(jié)垢考慮,合意的爐排出氣體溫度為1200-1400°C (大約2200-2550 °F)。因此，必須除去爐段中足夠的熱以將爐排出氣體溫度降至可接受的限度。在利用對(duì)流熱交換段的氧/煤燃燒布置中，部分由于對(duì)離開(kāi)鍋爐輻射段的氣體溫度的限制，可用于過(guò)熱蒸汽的熱較少，造成可供傳遞給進(jìn)料水、蒸汽發(fā)生和過(guò)熱的熱的失衡。在致力于在離開(kāi)輻射段之前降低爐氣體的溫度時(shí)，已利用大量的合成空氣(21-35% O2在CO2中)形式的煙道氣再·循環(huán)(FRG)以使氧氣中的煤燃燒近似于空氣/煤燃燒。在爐熱釋放、爐排出氣體溫度和火焰溫度方面，煙道氣再循環(huán)增加了整個(gè)工藝的總資本和運(yùn)行成本。因此，仍然需要提供減少或消除煙道氣再循環(huán)的熱交換設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)到過(guò)熱和再熱蒸汽中的恰當(dāng)熱分布，實(shí)現(xiàn)較低總成本，能夠在氧/煤鍋爐的輻射段中過(guò)熱至少一部分的蒸汽和/或充分保護(hù)過(guò)熱管免受輻射段中占主導(dǎo)的的高熱通量的破壞。

發(fā)明內(nèi)容
本公開(kāi)提供了鍋爐設(shè)計(jì)，其不需要煙道氣再循環(huán)來(lái)使實(shí)現(xiàn)到過(guò)熱和再熱蒸汽中的恰當(dāng)熱分布、實(shí)現(xiàn)較低總成本、能夠在氧/固體燃料鍋爐的輻射段中過(guò)熱至少一部分蒸汽和/或充分保護(hù)過(guò)熱管免受輻射段中占主導(dǎo)的高熱通量的破壞。本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施方案包括具有以下的的傳熱系統(tǒng)輻射源；第一熱交換器，其經(jīng)構(gòu)造以允許第一流體流經(jīng)它；和熱屏(thermal shield),其經(jīng)構(gòu)造以向該第一交換器提供來(lái)自輻射源的受控輻射熱。該輻射源是火焰且該熱屏是第二熱交換器，該第二熱交換器經(jīng)構(gòu)造以允許第二流體流經(jīng)它。本公開(kāi)的另一實(shí)施方案包括氧/燃料燃燒系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括經(jīng)安排和布置以提供火焰輻射源的爐。第一交換器置于該爐中并經(jīng)安排和布置以交換來(lái)自輻射源和用于蒸汽輪機(jī)的蒸汽的輻射熱。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括經(jīng)構(gòu)造以向第一交換器提供來(lái)自輻射源的受控輻射熱暴露的熱屏。該熱屏是第二熱交換器，其經(jīng)構(gòu)造以允許第二流體流經(jīng)它。本公開(kāi)的另一實(shí)施方案包括氧/燃料燃燒系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括經(jīng)安排和布置以提供火焰輻射源的爐，該爐具有經(jīng)安排和布置以提供火焰輻射源并使燃燒流體循環(huán)的室。第一熱交換器經(jīng)構(gòu)造以允許第一流體流經(jīng)它。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括由經(jīng)設(shè)計(jì)(arranged)以成向第一交換器提供來(lái)自輻射源的受控輻射熱暴露的材料制成的非接觸熱屏。該輻射源是火焰且第一熱交換器和熱屏置于該室內(nèi)并與燃燒流體接觸。本公開(kāi)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要煙道氣再循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)到過(guò)熱和再熱蒸汽的恰當(dāng)熱分布。再循環(huán)的減少或消除能夠降低對(duì)流段和鍋爐的尺寸或消除對(duì)流段和鍋爐，因此降低該系統(tǒng)的總資本和運(yùn)行成本。本公開(kāi)的另一優(yōu)點(diǎn)是較低的總成本。本公開(kāi)的另一優(yōu)點(diǎn)是在氧/固體燃料鍋爐的輻射段中過(guò)熱至少一部分的蒸汽的能力。本公開(kāi)的再一優(yōu)點(diǎn)是提供提高的過(guò)熱管保護(hù)以免受到輻射段中占主導(dǎo)的高熱通量的破壞。本公開(kāi)的再一優(yōu)點(diǎn)是減少的煙道氣再循環(huán)而不提高氣體離開(kāi)輻射段時(shí)的溫度，由此降低對(duì)流段(convective pass)結(jié)垢傾向以及維持給定的汽輪機(jī)循環(huán)的熱和質(zhì)量平衡。
本文中公開(kāi)了該方法和系統(tǒng)的其它方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)下列詳述和附圖將會(huì)認(rèn)識(shí)和理解如上論述的特征以及本公開(kāi)的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。附圖簡(jiǎn)述
圖I顯示燃燒系統(tǒng)的一個(gè)示例性實(shí)施方案的透視圖。圖2顯不傳熱系統(tǒng)的一個(gè)不例性實(shí)施方案的截面圖。圖3顯示作為Dy/D’= I. 5時(shí)的Dx/D管的函數(shù)的水管和蒸汽管的平均管壁溫度。圖4顯示作為DY/D管=I. 5時(shí)的Dx/D管的函數(shù)的水和蒸汽的熱通量計(jì)算值。圖5顯示改變管行距(Dy)的影響。圖6顯示根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的熱交換器系統(tǒng)的橫截面圖。 圖7顯示根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的熱交換器系統(tǒng)的橫截面圖。圖8顯示根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的熱交換器系統(tǒng)的橫截面圖。圖9顯不根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的熱交換器系統(tǒng)的橫截面圖。

圖10顯示根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的熱交換器系統(tǒng)的橫截面圖。圖11顯示根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的熱交換器系統(tǒng)的橫截面圖。圖12顯示根據(jù)另一實(shí)施方案的熱交換器系統(tǒng)的橫截面圖。圖13顯示根據(jù)另一實(shí)施方案的熱交換器系統(tǒng)的橫截面圖。圖14顯示根據(jù)另一實(shí)施方案的熱交換器系統(tǒng)的橫截面圖。
圖15顯示根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的示例性熱交換器系統(tǒng)布置的溫度圖。只要可能，在所有附圖中使用相同標(biāo)號(hào)代表相同部件。發(fā)明詳述
下面參照附圖更充分描述本公開(kāi)，其中顯示了本公開(kāi)的優(yōu)選實(shí)施方案。但是，本公開(kāi)可以具體體現(xiàn)為許多不同的形式且不應(yīng)被解釋為僅限于本文中闡明的實(shí)施方案；相反，提供這些實(shí)施方案以使本公開(kāi)詳盡完整并向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分傳達(dá)本公開(kāi)的范圍。本文所用的術(shù)語(yǔ)“固體燃料”及其語(yǔ)法變體是指適合燃燒用途的任何固體燃料。例如，本公開(kāi)可用于許多類型的含碳固體燃料，包括但不限于無(wú)煙煤、煙煤、次煙煤和褐煤；焦油；浙青；石油焦；造紙廠污泥固體物和下水道污泥固體物；木材；泥炭；草；和所有這些燃料的組合和混合物。本文所用的術(shù)語(yǔ)“氧氣”及其語(yǔ)法變體是指O2濃度大于大氣或環(huán)境條件的氧化劑。本文所用的術(shù)語(yǔ)“氧/煤燃燒”及其語(yǔ)法變體是指在氧氣中的煤燃燒，術(shù)語(yǔ)“空氣/煤燃燒”及其語(yǔ)法變體是指在空氣中的煤燃燒，術(shù)語(yǔ)“氧/燃料燃燒”及其語(yǔ)法變體是指在氧氣中的燃料燃燒，和術(shù)語(yǔ)“空氣/燃料燃燒”及其語(yǔ)法變體是指在空氣中的燃料燃燒。本文所用的術(shù)語(yǔ)“燃燒流體”及其語(yǔ)法變體是指由燃燒產(chǎn)物形成和/或與燃燒產(chǎn)物混合的流體，其可用于對(duì)流傳熱。該術(shù)語(yǔ)不限于燃燒產(chǎn)物并可包括與至少一部分燃燒系統(tǒng)混合或以其它方式行經(jīng)至少一部分燃燒系統(tǒng)的流體。盡管不限于此，但一個(gè)這樣的實(shí)例是煙道氣。本文所用的術(shù)語(yǔ)“再循環(huán)的煙道氣”及其語(yǔ)法變體是指再循環(huán)到該系統(tǒng)任何部分的離開(kāi)該系統(tǒng)的燃燒流體。本文所用的術(shù)語(yǔ)“煙道氣再循環(huán)”及其語(yǔ)法變體是指允許燃燒流體再循環(huán)的構(gòu)造。參照?qǐng)D1，本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施方案包括具有爐104、對(duì)流段106、輻射源108、熱屏110和第一熱交換器112的燃燒系統(tǒng)102。如圖I中所示，爐104被描繪為用于燃料燃燒和在煙道氣進(jìn)入對(duì)流段106之前的煙道氣冷卻的大封閉空間。對(duì)流段106通常包括一個(gè)或多個(gè)過(guò)熱器、再熱器和省熱器。過(guò)熱器、再熱器和省熱器表面通常位于鍋爐外殼的煙道氣水平和垂直下行流區(qū)段的路徑中。輻射源108包括固體燃料火焰。在一個(gè)實(shí)施方案中，輻射源108是氧/煤火焰。如圖I中所示，第一熱交換器112經(jīng)構(gòu)造以允許第一流體114流經(jīng)其。本文所用的術(shù)語(yǔ)流體包括，但不限于，可移動(dòng)的固體、熔融固體、氣體、液體、不可溶的工藝組分、膠體及其組合。安排和布置熱屏110以將第一熱交換器112與輻射源108部分隔絕。熱屏110和第一熱交換器112基本在燃燒系統(tǒng)102的爐104內(nèi)。第一熱交換器112可以例如，包括集成到爐104的壁中或以其它方式布置以接收爐104內(nèi)產(chǎn)生的輻射熱的熱交換管或其它結(jié)構(gòu)。如圖I中所示，熱屏110是熱交換器。此外，熱屏110的位置使得可控屏蔽第一熱交換器112免受來(lái)自輻射源108的輻射熱暴露。本文所用的“輻射熱暴露”包括一部件交換來(lái)自輻射熱源的熱的敏感性或能力。在另一些實(shí)施方案中，可包括多個(gè)熱屏110和/或多個(gè)熱屏蔽的熱交換器。如圖11中所述，在另一實(shí)施方案中，熱屏110可以是非熱交換器的結(jié)構(gòu)。在另一實(shí)施方案中，該熱屏蔽的熱交換器包含多個(gè)蒸汽管。在又一實(shí)施方案中，該熱屏蔽的熱交換器(即第一熱交換器112)包括用于耗散熱的翅片。在再一實(shí)施方案中，熱屏110是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 如圖I中所示，熱屏110可以經(jīng)構(gòu)造以允許第二流體116流經(jīng)其。第一流體114與第二流體116的至少一個(gè)物理性質(zhì)不同。不同的物理性質(zhì)可包括選自熱容、密度、粘度、熱導(dǎo)率、壓力、相、相分?jǐn)?shù)(phase fraction)、速度、質(zhì)量、質(zhì)量流量及其組合的一個(gè)或多個(gè)性質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一流體114是蒸汽且第二流體116是水。蒸汽管(即第一熱交換器112)與水管(即熱屏110)相比降低的內(nèi)部傳熱系數(shù)造成在給定的熱通量下蒸汽管的較高管溫度。通常，在一個(gè)實(shí)例中，針對(duì)大約1242 °F (672°C)的工作極限設(shè)計(jì)高溫管道。因此，在高熱通量位置，如爐104的未保護(hù)部分內(nèi)設(shè)置蒸汽管可導(dǎo)致過(guò)高的(excessive)金屬溫度和隨后的故障。為了在任選仍為對(duì)流段106中的過(guò)熱管提供加熱負(fù)荷的同時(shí)克服這些限制，在一個(gè)實(shí)施方案中，熱屏110是專門(mén)配置成傳輸水的多個(gè)管。在此實(shí)施方案中，第一熱交換器112是專門(mén)配置成傳輸蒸汽的多個(gè)管。在此實(shí)施方案中，水冷管可降低到蒸汽管的熱通量，由此將第一熱交換器112的金屬溫度降至所需溫度。換言之，熱屏110可控降低第一熱交換器的輻射熱暴露。借助這種布置，可以在爐104中吸收一部分(如果不是全部)所需過(guò)熱負(fù)荷，由此利用該熱釋放進(jìn)行氧/煤燃燒。如空氣/煤燃燒鍋爐中已知的那樣，可以在對(duì)流段106中獲得所需的任何其余過(guò)熱負(fù)荷。在一個(gè)實(shí)施方案中，在爐104中包括水管(即熱屏110)和過(guò)熱管(即第一熱交換器112)降低了使用煙道氣再循環(huán)的需要。在另一實(shí)施方案中，在爐104中包括熱屏110和第一熱交換器112使得爐104除已知空氣/煤燃燒鍋爐中爐104的作用外還發(fā)揮已知空氣/煤燃燒鍋爐中對(duì)流段106的作用。圖2顯示傳熱系統(tǒng)204的一個(gè)實(shí)施方案。在圖2中所示的實(shí)施方案中，熱屏110包括多個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202。在該所不實(shí)施方案中,傳輸結(jié)構(gòu)202被描繪為充滿流體,如水或蒸汽的管。在一個(gè)實(shí)施方案中，傳輸結(jié)構(gòu)202可以是鋼管。但是，傳輸結(jié)構(gòu)202可以由能夠承受燃燒系統(tǒng)102的爐104中的溫度的任何材料構(gòu)成。此外，另一些實(shí)施方案可包括具有其它幾何，例如但不限于，橢圓形、正方形、三角形或矩形橫截面幾何的傳輸結(jié)構(gòu)202。在圖2中所示的實(shí)施方案中，第一熱交換器112另外包括多個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202。在圖2中，熱屏110的傳輸結(jié)構(gòu)202和第一熱交換器112的傳輸結(jié)構(gòu)202基本相同。在另一些實(shí)施方案中，熱屏110和第一熱交換器112的傳輸結(jié)構(gòu)202的幾何、結(jié)構(gòu)、取向或任何其它物理性質(zhì)不同。在又一些實(shí)施方案中，熱屏Iio內(nèi)的傳輸結(jié)構(gòu)202可能彼此不同。同樣地,第一熱交換器112中的傳輸結(jié)構(gòu)202可能彼此不同。再參照?qǐng)D2，熱屏110和第一熱交換器112的布置專門(mén)設(shè)計(jì)成隔絕或防護(hù)輻射熱暴露，第一熱交換器112。在圖2中,第一熱交換器112中的多個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202以距離Dxl等距離隔開(kāi)。Dxl是與第一熱交換器112的傳輸結(jié)構(gòu)202的中心點(diǎn)之間的距離對(duì)應(yīng)的距離。傳輸結(jié)構(gòu)202具有直徑dSl。在圖2中所示的實(shí)施方案中，熱屏110的傳輸結(jié)構(gòu)202相隔距離Dx20 Dx2是與熱屏110的傳輸結(jié)構(gòu)202的中心點(diǎn)之間的距離對(duì)應(yīng)的距離。在此實(shí)施方案中，熱屏110的傳輸結(jié)構(gòu)202與第一熱交換器112的傳輸結(jié)構(gòu)202平行排列。在另一些實(shí)施方案中，可包括其它布置。在圖2中所示的實(shí)施方案中，熱屏110的傳輸結(jié)構(gòu)202位于輻射源108與第一熱交換器112的傳輸結(jié)構(gòu)202的中間。Dy代表熱屏110和第一熱交換器112之間的距離。更具體地，距離Dy是穿過(guò)熱屏的傳輸結(jié)構(gòu)202的中點(diǎn)的平面208與穿過(guò)第一熱 交換器的傳輸結(jié)構(gòu)202的中點(diǎn)的平面210之間的距離。為了控制熱屏110和第一熱交換器112的傳熱，可以修改0!￡1、0!￡2、(1管1、(1管2和01。如圖3-5中所示，修改Dxl、Dx2和Dy可以向第一熱交換器提供降低的輻射熱暴露并降低或消除由過(guò)熱和/或超過(guò)最大溫度而造成的傳輸結(jié)構(gòu)202的破壞或故障。此外，該系統(tǒng)的總熱交換分布(在某些實(shí)施方案中包括爐104中水的加熱和蒸汽的過(guò)熱)提供爐194內(nèi)改進(jìn)的傳熱效率和提高的組件壽命。在圖3所示的實(shí)施方案中，Dxl和Dx2被描繪為相同。在另一些實(shí)施方案中，Dxl和Dx2并不相等。如圖4所示的實(shí)施方案中所述，當(dāng)Dxl和Dx2相等時(shí)，修改Dxl和Dx2 (S卩，Dx)能夠控制傳輸結(jié)構(gòu)202的熱通量。如所不，到熱屏110的傳輸結(jié)構(gòu)202和第一熱交換器112的傳輸結(jié)構(gòu)202的平均熱通量隨Dx (即，Dxl和Dx2)提高而提高。由于來(lái)自相鄰管的屏蔽較小且由于較熱的蒸汽管(即第一熱交換器112)和隨后較熱的周圍環(huán)境為背離輻射源108的水管(即熱屏110)側(cè)提供額外熱通量，傳輸結(jié)構(gòu)202的每單位管表面積的平均熱通量隨間距提高而提高。隨著間距提高，由于來(lái)自水管的屏蔽降低，到蒸汽管的熱通量提高。在圖5所示的實(shí)施方案中所述，修改Dy導(dǎo)致在所研究的范圍內(nèi)的較不顯著的影響，除了在Dxl和Dx2 (其中Dxl和Dx2相等)大于dSl和dS2 (其中dSl和dS2相等)的三倍時(shí)。圖6至10顯示包括修改Dy的各種構(gòu)造的另一些實(shí)施方案。圖6所示的實(shí)施方案包括，熱屏110的多個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202與第一熱交換器112的多個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202借助多個(gè)網(wǎng)狀連接602相連。網(wǎng)狀連接602提供額外表面積和傳輸結(jié)構(gòu)202之間的連通性。在此實(shí)施方案中，Dy為dSl和dS2的大致三倍，其中dSl和dS2相等。圖7所示的實(shí)施方案包括熱屏110的多個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202與第一熱交換器112的多個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202 —起布置以使第一熱交換器112的各個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202毗鄰熱屏110的一個(gè)或多個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202的一部分。在此實(shí)施方案中，0丨大致等于l/4Dxl或1/4 Dx2(即，1/4DX)，其中Dxl和Dx2相等。如此實(shí)施方案中所不,在熱屏110的一些傳輸結(jié)構(gòu)202和第一熱交換器112的傳輸結(jié)構(gòu)202之間存在小間距。圖8所不的實(shí)施方案包括,熱屏110的多個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202與平行于該熱屏110的傳輸結(jié)構(gòu)202的第一熱交換器112的多個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202排列。在此實(shí)施方案中，Dy為dSl和dS2的大致三倍，其中dSl和dS2相等。在圖9所示的實(shí)施方案中，包括熱屏110的多個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202與第一熱交換器112的多個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202平行排列并與輻射源108等距離并通過(guò)多個(gè)網(wǎng)狀連接602相連。網(wǎng)狀連接602提供額外表面積和傳輸結(jié)構(gòu)202之間的連通性以提高傳熱。在此實(shí)施方案中，Dy大致為O。圖10所示的實(shí)施方案包括，熱屏110的多個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202與平行于該熱屏110的傳輸結(jié)構(gòu)202的第一熱交換器112的多個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)202排列。圖10的構(gòu)造包括在第一熱交換器112的傳輸結(jié)構(gòu)202之間的網(wǎng)狀連接602。網(wǎng)狀連接602提供額外表面積和傳輸結(jié)構(gòu)202之間的連通性以提高傳熱。在此實(shí)施方案中，DyS dSl和dS2的大致三倍，其中dig 1和<1胃2相等。此外如圖11和12所示的實(shí)施方案中所述，可以包括耐火材料1101作為第一熱交換器112的傳輸結(jié)構(gòu)202和輻射源108之間的熱屏110。換言之，熱屏是由設(shè)計(jì)成向第一交換器提供來(lái)自輻射源108的受控輻射熱暴露的材料制成的非接觸熱屏。在一個(gè)實(shí)施方案 中，耐火材料1101可以由如氧化鋁、二氧化硅、氧化鎂和/或石灰之類的材料構(gòu)成。在圖13中所示的實(shí)施方案中，除傳輸結(jié)構(gòu)202外，還顯示耐火材料1101作為熱屏110。耐火材料1101額外降低到第一熱交換器112的傳輸結(jié)構(gòu)的熱通量。在圖14中所示的又一實(shí)施方案中，耐火材料1101可以集成到熱屏110中。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所認(rèn)識(shí)，相對(duì)于至少由在蒸汽干燥的上游的蒸汽鍋筒(stream drum)和在蒸汽輪機(jī)上游的過(guò)熱管構(gòu)成的亞臨界蒸汽循環(huán)描述下列實(shí)施方案。在此實(shí)施方案中，第一熱交換器112配置成傳輸近飽和濕流體或低品質(zhì)蒸汽(即水-蒸汽混合)而非純蒸汽。出于操作原因，需要使用濕流體?？梢允褂脧恼羝佂驳撞?或具有類似條件的類似區(qū)域)獲得的近飽和濕流體(水/蒸汽)混合物而非利用來(lái)自亞臨界裝置的鍋筒(drum)的蒸汽部分的飽和蒸汽流獲得水-蒸汽混合物。在此實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)移到第一熱交換器112中的能量將略微過(guò)冷的流體煮沸成更高焓的濕蒸汽，其可導(dǎo)向蒸汽鍋筒的上部低壓區(qū)。由于該較低壓力，含有比周圍鍋筒環(huán)境大的焓的濕蒸汽可以在略微過(guò)熱狀態(tài)下離開(kāi)管束。這種直接混合可能有助于將略高品質(zhì)的蒸汽從鍋筒傳輸?shù)竭^(guò)熱器中。在這種實(shí)施方案中，第一熱交換器112中的低品質(zhì)蒸汽具有比純蒸汽高得多的傳熱能力并且在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件中都可用于保護(hù)112中的管202。隨著在上升過(guò)程中來(lái)自蒸汽鍋筒的蒸汽需求提高，離開(kāi)112的蒸汽與蒸汽鍋筒內(nèi)的本體條件(bulk conditons)相比處于略微更過(guò)熱的條件。來(lái)自蒸汽鍋筒的蒸汽需求提高(由此造成蒸汽鍋筒壓力的降低)會(huì)導(dǎo)致提高的流經(jīng)第一熱交換器112中的傳輸結(jié)構(gòu)202的流量，由此在爐燃燒器的提高燃燒速率的自動(dòng)響應(yīng)預(yù)期下快速提高從第一熱交換器112中的傳輸結(jié)構(gòu)202中除熱。當(dāng)來(lái)自蒸汽鍋筒的蒸汽需求降低時(shí)，離開(kāi)112的蒸汽與蒸汽鍋筒內(nèi)的本體條件相比處于略低過(guò)熱的條件。來(lái)自蒸汽鍋筒的蒸汽需求降低(由此造成蒸汽鍋筒壓力的提高)會(huì)導(dǎo)致降低的流經(jīng)第一熱交換器112中的傳輸結(jié)構(gòu)202的流量，由此在爐燃燒器的降低燃燒速率的自動(dòng)響應(yīng)預(yù)期下快速抑制略微過(guò)熱的蒸汽進(jìn)入第一熱交換器112中的略微過(guò)冷流體。另一選項(xiàng)是將來(lái)自第一熱交換器112的排出物導(dǎo)入緊鄰初始蒸汽干燥之前并且也正好在任何安裝的過(guò)熱器之前的區(qū)域，因?yàn)檫@在幾乎至完全不影響熱效率的同時(shí)為該流體提供更大的自然熱驅(qū)動(dòng)頭。如果需要第一熱交換器112中的傳熱流體的額外過(guò)冷，可以采取措施以利用小的過(guò)冷進(jìn)料水流作為供應(yīng)噴射泵的引出流體以從蒸汽鍋筒中取出水，從而連續(xù)或附加流入第一熱交換器112的傳輸結(jié)構(gòu)202中。這可以在所有運(yùn)行模式過(guò)程中采用幾種方法實(shí)現(xiàn)。因此，本公開(kāi)能夠通過(guò)提取爐中的額外熱來(lái)在保持傳熱至蒸汽/傳熱流體系統(tǒng)的同時(shí)降低煙道氣再循環(huán)率。盡管本公開(kāi)著眼于使用水作為傳熱流體的動(dòng)力鍋爐，但其它實(shí)施方案可用于其它工藝加熱器，其中加熱兩種不同流體(在傳熱性質(zhì)方面)。此外，盡管本公開(kāi)著眼于從過(guò)熱負(fù)荷中提取爐中的額外熱負(fù)荷，但也可以從爐中提取省熱器負(fù)荷代替過(guò)熱負(fù)荷。此外，在該爐中可以添加第三列(或更多列)管。
實(shí)施例使用模擬溫度分布和傳熱的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)研究本公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例。該模擬區(qū)由2D矩形區(qū)構(gòu)成。假設(shè)一個(gè)壁邊界處于3140 °F(2000 K)以模仿熱的爐氣體。選擇 這種邊界溫度以確保到水管的最大熱通量小于水的臨界熱通量。在假設(shè)由Ift厚耐火磚制成的相對(duì)邊界采用混合邊界條件(對(duì)流+輻射)。在該模擬區(qū)的鄰邊采用周期邊界條件(參見(jiàn)例如，圖15)。水管(即熱屏110)和蒸汽管(即，第一熱交換器112)為2英寸外徑、O. 375英寸(O. 95厘米)壁厚。該金屬管的電導(dǎo)率隨溫度而變并假設(shè)與不銹鋼相同。水管和蒸汽管壁都被假設(shè)具有O. 7的輻射系數(shù)。在水管和蒸汽管的內(nèi)壁采用對(duì)流邊界條件。水和蒸汽溫度分別在大約620 T和800 T (327°C和427°C)下保持恒定。水管和蒸汽管的內(nèi)部傳熱系數(shù)分別為 50，000 ff/m2-K 和 5，000 W/m2_K。針對(duì)Dx/d管(其中Dx等于Dxl或Dx2，且Dxl和Dx2相等)和DY/d管(其中D管等于^或d s2，且ds i和d s2相等)的組合，進(jìn)行CFD模擬。參照?qǐng)D3，作為DY/DS = 1.5時(shí)的Dx/Ds的函數(shù)顯示水管和蒸汽管兩者的最大和平均管壁溫度的結(jié)果。在這些實(shí)施方案中，在3或更低的Dx/Ds下，有效冷卻蒸汽管壁溫度，但Dx/D胃的實(shí)際極限取決于具體結(jié)構(gòu)材料和設(shè)計(jì)的工作極限。再參照?qǐng)D4，其也在DY/DS = I. 5下計(jì)算，繪制到水管和蒸汽管的平均熱通量。水管和蒸汽管的平均熱通量都隨著Dx/D胃提高而提高。水管的平均熱通量隨管間距提高而提聞。隨著間距提聞，到蒸汽管和水管的熱通量提聞。再參照?qǐng)D5，也分析改變管行距(Dy)的影響。分析揭示，存在兩個(gè)優(yōu)選運(yùn)行區(qū)。該分析表明，蒸汽管的傳熱在Dy = 4時(shí)最大化且Dx/D胃為2. 5至3. 5。計(jì)算表明，這組條件提供水傳熱負(fù)荷的大約60%至70%的蒸汽傳熱負(fù)荷，同時(shí)使蒸汽管溫度保持低于假定的設(shè)計(jì)極限限。采用由假定的最大蒸汽管壁溫度(大約1242 T/672°C)設(shè)定的極限進(jìn)行計(jì)算。該溫度極限隨蒸汽管材料而變。為了再進(jìn)一步提高向蒸汽管的傳熱，可以使用更高溫度極限的材料。由于所產(chǎn)生的對(duì)Dx/Ds變化的相對(duì)平坦的溫度響應(yīng)，這組條件還降低該管由于不合規(guī)格的設(shè)計(jì)或運(yùn)行而發(fā)生故障的可能性。通過(guò)使用小于2. 5的Dx/D胃在較低熱通量條件下運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)蒸汽管運(yùn)行溫度和最大蒸汽管溫度之間的大設(shè)計(jì)裕度。表I詳述高揮發(fā)性煙煤的分析。表2顯示爐(104)和對(duì)流段(106)的吸收熱負(fù)荷。表I
權(quán)利要求
1.傳熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含 福射源; 第一熱交換器，其經(jīng)構(gòu)造以允許第一流體流經(jīng)它；和熱屏，其經(jīng)構(gòu)造以向該第一交換器提供來(lái)自該輻射源的受控輻射熱；且其中該輻射源是火焰且該熱屏是第二熱交換器，該第二熱交換器經(jīng)構(gòu)造以允許第二流體流經(jīng)它。
2.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該第一熱交換器包含能夠運(yùn)送該第一流體的多個(gè)管。
3.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該熱屏包含能夠運(yùn)送該第二流體的多個(gè)管。
4.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該熱屏的構(gòu)造包括該熱屏的所述多個(gè)管的每個(gè)之間的預(yù)定間距。
5.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括在該第一熱交換器的所述多個(gè)管的每個(gè)之間的預(yù)定間距。
6.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)的構(gòu)造包括在該第一熱交換器的管與該熱屏的管之間的預(yù)定間距。
7.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該熱屏的構(gòu)造包括在該第一熱交換器的所述多個(gè)管的每個(gè)之間和該第一熱交換器的管與該熱屏的管之間的預(yù)定間距。
8.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含在該熱屏的管之間、在該第一熱交換器的管之間、或在該熱屏的管與該第一熱交換器的管之間的網(wǎng)狀連接。
9.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該第一流體與該第二流體在選自熱容、密度、粘度、熱導(dǎo)率、壓力、相、相分?jǐn)?shù)、速度、質(zhì)量流量及其組合的性質(zhì)方面不同。
10.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該福射源、該第一熱交換器和該熱屏基本位于燃燒系統(tǒng)的爐內(nèi)。
11.1 I.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該火焰是氧/煤火焰。
12.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該火焰是固體燃料火焰。
13.權(quán)利要求I的系統(tǒng),其中該火焰是氧濃度為至少21體積％的氧/燃料火焰。
14.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該第一流體是蒸汽。
15.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該第一流體是液態(tài)水和蒸汽混合物。
16.權(quán)利要求I的系統(tǒng),其中該第二流體是液態(tài)水。
17.氧/燃料燃燒系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含 爐，其經(jīng)安排和布置以提供火焰輻射源； 第一交換器，其置于該爐中，經(jīng)安排和布置以交換來(lái)自該輻射源和用于蒸汽輪機(jī)的蒸汽的輻射熱；和 熱屏，其經(jīng)構(gòu)造以向該第一交換器提供來(lái)自該輻射源的受控輻射熱暴露； 其中該熱屏是第二熱交換器，其經(jīng)構(gòu)造以允許第二流體流經(jīng)它。
18.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中該第一熱交換器選自過(guò)熱器、再熱器、省熱器及其組合。
19.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中該輻射源是固體燃料火焰。
20.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中該固體燃料火焰是氧/煤火焰。
21.權(quán)利要求19的系統(tǒng)，其中該固體燃料火焰是氧濃度為至少21體積％的氧/燃料火焰。
22.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中該第一熱交換器包含能夠運(yùn)送該第二流體的多個(gè)管。
23.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中該熱屏是經(jīng)構(gòu)造以允許第二流體流經(jīng)其的熱交換器。
24.權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中該熱屏包含能夠運(yùn)送該第二流體的多個(gè)管。
25.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中該熱屏的構(gòu)造包括該熱屏的所述多個(gè)管的每個(gè)之間的預(yù)定間距。
26.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中該熱屏的構(gòu)造包括該第一熱交換器的所述多個(gè)管的每個(gè)之間的預(yù)定間距。
27.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中該熱屏的構(gòu)造包括該第一熱交換器的管與該熱屏的管之間的預(yù)定間距。
28.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中該熱屏的構(gòu)造包括該第一熱交換器的所述多個(gè)管的每個(gè)之間和該第一熱交換器的管與該熱屏的管之間的預(yù)定間距。
29.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含在該熱屏的管之間、在該第一熱交換器的管之間、或在該熱屏的管與第一熱交換器的管之間的網(wǎng)狀連接。
30.氧/燃料燃燒系統(tǒng)，其包含 爐，其具有經(jīng)安排和布置以提供火焰輻射源并使燃燒流體循環(huán)的室； 第一熱交換器，其經(jīng)構(gòu)造以允許第一流體流經(jīng)它； 非接觸熱屏，其由設(shè)計(jì)成向該第一交換器提供來(lái)自該輻射源的受控輻射熱暴露的材料制成； 其中該輻射源是火焰且該第一熱交換器和該熱屏置于該室內(nèi)并與該燃燒流體接觸。
31.權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其中該第一熱交換器包含能夠運(yùn)送該第一流體的多個(gè)管。
32.權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其中該熱屏的構(gòu)造包括該第一熱交換器的所述多個(gè)管的每個(gè)之間的預(yù)定間距。
33.權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其中該熱屏的構(gòu)造包括該第一熱交換器的管與該熱屏的管之間的預(yù)定間距。
34.權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其中該輻射源、該第一熱交換器和該熱屏基本位于燃燒系統(tǒng)的爐內(nèi)。
35.權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其中該火焰是氧/煤火焰。
36.權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其中該火焰是固體燃料火焰。
37.權(quán)利要求30的系統(tǒng),其中該火焰是氧濃度為至少21體積％的氧/燃料火焰。
38.權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其中該第一流體是蒸汽。
39.權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其中該第一流體是液態(tài)水和蒸汽混合物。
全文摘要
具有輻射源(108)、經(jīng)構(gòu)造以允許第一流體(114)流經(jīng)其的第一熱交換器(112)和經(jīng)構(gòu)造以向第一交換器提供來(lái)自輻射源的受控輻射熱的熱屏(110)的傳熱系統(tǒng)。該輻射源是火焰。該熱屏是經(jīng)構(gòu)造以允許第二流體(116)流經(jīng)其的第二熱交換器或由設(shè)計(jì)成向第一交換器提供來(lái)自輻射源的受控輻射熱暴露的材料制成的非接觸熱屏。還公開(kāi)了氧/煤燃燒系統(tǒng)。
文檔編號(hào)F23L7/00GK102834668SQ200980137779
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者R.J.亨德肖特, 何筱毅, J.W.克盧斯特曼, M.J.希貝, A.G.斯拉夫科夫 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司