用于循环流化床锅炉的流化床热交换器和具有流化床热交换器的循环流化床锅炉

根据权利要求1的前序，本发明涉及用于循环流化床锅炉(CFB锅炉) 的流化床热交换器以及带有这一热交换器的循环流化床锅炉。尤其地，本发 明涉及CFB锅炉的外部热循环，换言之，涉及设置在回流通道内的高效热 交换器，用于通过粒子分离机从CFB锅炉的废气被分离并且回流到熔炉的 固体。特别地，本发明涉及将高效热交换器设置在超临界一次通过效用锅炉 中，其被提供有再热。

在CFB锅炉中，供水中的热蒸汽的产生在几个场所发生；例如，依靠 设置在锅炉的尾部烟道的热交换器，依靠熔炉的水管面板和尾部烟道壁，并 且设置在外部热循环中的热交换室内。当越来越大的CFB锅炉被开发成越 来越高效，外部热循环内的热交换室变得愈加重要。因此，我们必须找出有 利地提供能够产生足够高的热传能力的带有热交换室的锅炉，仍在各种运行 条件下柔性操作的方法。。

一次通过效用锅炉(OTU锅炉)具有在水和蒸汽之间不需要密度差的 优点，用以为水循环提供驱动力，来冷却炉壁的蒸发器管道。代替于密度差， 锅炉的供水泵作用水循环的驱动力。因此，在OTU锅炉中在水临界点以上 压力(220bar)下将蒸汽加热到高温是可能的，其提高了锅炉的水蒸汽产生 过程的效率。在悬架点火锅炉的运行以及具有大约1000MWe的功率下，在 其流出锅炉的废气的温度可大约为1300℃，在300bar压力下蒸汽达到的最 终温度为610℃。在CFB锅炉中，在其锅炉温度典型地为850至900℃，达 到相应的蒸汽值并且尤其是一较高的再热温度，举例而言，620℃，这要求 了锅炉热交换器设计的新方案。

当大量固体具有一较高进口温度和一较低出口温度通过热交换器时，热 交换器具有一较高效率。通常，通过增加它的热交换表面来提高热交换器的 效率是可能的，这要求在交换室中流化床的容积足够大。增加流化床的高度 提高了流态化气体的压力损失，并且增加它的宽度和深度可导致由于结构或 空间消耗的不利方案。为了避免这些问题，利用至少两个分开的热交换室来 代替一个大的热交换室是有利的。

美国第5,275,788号专利揭示了一CFB锅炉的热交换器，其包括两个与 炉壁设置在一起的热交换室，一个在另一个上方，但粒子流动是平行的。通 过粒子分离机从锅炉废气中被分离出的固体的期望部分可被引入到这些热 交换室内。在这种热交换器下，被引入到两个热交换室的固体有相同的温度， 并且固体的最终温度可能仍保持很高。因此，热交换器的热交换效率以及热 交换效率的适应性可能是不够的，尤其在低负载下。

美国第5,537,941号专利揭示了具有两个叠层部分的热交换器，上面部 分和下面部分，彼此串联，两个部分都有两个并行连接的热交换室。上面部 分和下面部分也都包括一旁路通道，通过其进入每部分的固体的一部分可以 在未冷却的情况下穿过热交换室进入流出部分的固体中。这种热交换器的适 应性十分好。即便如此，在锅炉的全运行条件下，热交换器的效率和柔性还 不是十分足够。

本发明的一个目的是提供一被设置在循环流化床锅炉的外部热循环中 的热交换器，用以减少循环流化床锅炉的现有的热交换器的上述缺点。

本发明的另一个目的尤其是提供一被设置在循环流化床锅炉的外部热 循环中的热交换器，，热交换器可应用于提供了再热的高效的一次通过效用 循环流化床锅炉。

本发明的进一步的目的同样提供了带有上述热交换器的循环流化床锅 炉。

为了解决现有技术中出现的上述问题，热交换器和循环流化床锅炉被提 供。

因此，根据本发明的热交换器的特征是，它包括与循环流化床锅炉的熔 炉设置一起的第一和第二热交换室，第一进口通道，用以将循环流化床锅炉 的外部循环中的粒子分离机的热固体引入至提供有用于流化固体的第一装 置的热交换室内；第二进口通道，用以将固体引入至提供有用于流化固体的 第二装置的第二热交换室内；第一卸料装置，用以将冷却固体的第一部分从 第一热交换室移到第二进口通道；第二卸料装置，用以将冷却固体从第二热 交换器移至熔炉；以及进口装置，用以将热固体从熔炉的内部循环直接引入 第二热交换室内。

因此，本发明为提供高效的热交换器提供了一个新的方案，根据此方案， 热交换器包括在CFB锅炉的外部热循环中串联连接的两个热交换室，以及 用以将热固体从熔炉的内循环直接引入至后面的热交换室的装置。在这种热 交换器中，在两个热交换室中获得足够高的固体流、足够高的固体进口温度、 同时相对较低的固体出口温度是可能的。

根据本发明的一优选实施例，热交换器也包括三个卸料装置，用以将冷 却固体的第二部分从第一热交换室直接移至熔炉。优选地，以上提及的该第 三卸料装置和第一卸料装置包括用以控制冷却固体的第一和第二部分的数 量的控制装置。因此，例如阻止在第一热交换室内冷却固体流入第二热交换 室是可能的，如果必要，这种情况下固体可以仅仅直接从熔炉流入第二热交 换室。因此，在第二热交换室中的固体的进口温度是尽可能地高，并且在第 二热交换室中，例如将从高压涡轮机回流的蒸汽再热到足够高温可被实现。

与上面实施例描述的热交换器类似的一热交换器装置也能够应用到由 不同燃烧模式驱动的循环流化床锅炉，其中一个燃烧模式要求了在两个串联 的热交换室中的固体的高效冷却，另一个燃烧模式要求了仅在一个热交换室 中的固体的冷却。后一种情况下，将固体从第一热交换室直接回流到熔炉中、 并且第二热交换室完全没有被使用是可能的。在这两种燃烧模式中，第一种 相应于，例如在富氧的氧化气体甚至纯氧中的燃烧，而后者相应于在普通空 气中的燃烧。

根据本发明的热交换器的两个串联的热交换室可被设置为与CFB锅炉 的炉壁相邻连接，但根据本发明的一特别有利的实施例，热交换器的第一热 交换室被设置在第二热交换室上。该实施例特别有利于包括几个高效的并且 相对较小的粒子分离机的大型CFB锅炉上，在这种情况下两个叠置的并且 分开的热交换室可被设置在低于它们保持空间里。在两个叠置的热交换室 内，固体流化床的流态化气体的压力损失低于其在一相应地未分开的高室 中。

根据本发明，当热交换器被连接到超临界的OTU锅炉时，过热所要求 的最终温度可以足够高，例如610℃，再热所要求的最终温度可以更高，例 如620℃。在这种情况下，当CFB锅炉的熔炉中的温度例如在850℃至900℃ 时，包括锅炉蒸汽循环的最后热交换表面的热交换器必须以一非常有效的方 式被设置，以便获得期望的过热温度。根据本发明，有利地实现这种热交换 器是可能的，从而蒸汽循环的最终过热器设置在热交换器的第一热交换室 中，并且锅炉蒸汽循环的最终再热器设置在第二热交换室中，其优选地被设 置在第一热交换室之下。

根据本发明，当热固体从熔炉直接流到串联的热交换室的一个中，在该 热交换室中在锅炉满载下达到足够的再热温度是可能的。这个结果，首先从 惊人发现来看，在大型一次通过效用循环流化床锅炉中，由于值得考虑的锅 炉高度和设置在熔炉中的热交换表面，在锅炉的下面区域中的温度通常高于 锅炉的上面区域中的温度。因此，直接从熔炉的内部循环流出的固体，其温 度接近锅炉的下面区域的温度，比从熔炉废气中分离出的固体更热，该固体 的温度对应于锅炉的上面区域的温度。尤其地人们发现，当在正常模式下到 达足够高的再热温度特别困难时，在低载荷下CFB锅炉熔炉的上面和下面 区域之间的温度差变得更加显著。另一方面，要获得足够高的过热温度是没 有问题的，因为在满负载下锅炉的效率被提高从而达到期望的过热温度。

参照附图，本发明将在下文进行详细描述。

图1是根据本发明的一优选实施例，提供有热交换器的循环流动床锅炉 的示意性的垂直截面图。

图2是根据本发明的第二优选实施例，热交换器的示意性的垂直截面 图。

图3是根据本发明的第三优选实施例，热交换器的示意性的水平截面 图。

根据本发明的一优选实施例，图1图示了一CFB锅炉10，该锅炉包括 熔炉12、与该熔炉的上面部分相连的出口通道14，用于外部热循环并与通 道14相连的粒子分离机16，所述粒子分离机的下面部分与回流通道18相结 合，回流通道将从粒子分离机16分离出来的固体回流到熔炉12的下面区域， 所述粒子分离机的上面部分与废气管道20相结合，用于将净化的废气移至 锅炉的尾部烟道、空气净化设备并进一步地通过堆层至外界。(由于最后提 及的装置能够从现有技术中获知并且由于它们不是本发明的特别部分，因此 在图1中并未图示)。例如，CFB锅炉10可以是自然循环类型或者一个超 临界OTU锅炉。熔炉12的下面区域提供有用于输送燃料、惰性层材料以及 用于可能的含硫粘结剂的装置22，熔炉的底部提供有用于流入含氧的流态 化气体的装置，换言之，气体进口通道24，风盒26和管口28。

在锅炉运转中，含氧流态化气体，例如空气，以足够的速度流过管口 28，使得燃料在流化床内燃烧，温度典型地在大约850至900℃，这种情况 下燃料气体和产生的固体(主要是灰，惰性层材料和未燃烧的燃料)，通过 出口通道14流出锅炉的上面区域进入粒子分离机16。粒子分离机将热固体 从废气中分离出，热固体通过回流通道18到达热交换器30，在其设置在所 述热交换器内的热交换表面32、34在固体回流到熔炉12的下面区域之前将 其冷却。一大型CFB锅炉通常提供有几个平行的粒子分离机以及与其回流 通道相连的热交换器，但为了表述清楚，图1仅仅图示了涉及一个粒子分离 机的装置。

通常，熔炉12的壁由作用为所谓的蒸发面的水管面板制成，在水管面 板内锅炉蒸汽循环中的高压供水，在设置在锅炉尾部烟道内的节能器(图1 未图示)内被加热，并转换成蒸汽。蒸汽温度在过热器内进一步上升，所述 过热器的最后场所通常设置在外部热循环的热交换器30中。过热的蒸汽通 入一高压蒸汽涡轮机机中，该高压蒸汽涡轮机机具有与其相连用于产生电力 的发电机。在高效锅炉中，低压下离开高压涡轮机的蒸汽进入再热器中再热。 有利地，再热器的最后场所也可设置在外部热循环的热交换器30中。因此 产生的热蒸汽进一步进入到低压蒸汽涡轮机，以增加产电量和工厂的整体效 率。利用再热产生蒸汽已经被人们所熟知，因此这里不再赘述。

如图1所示，根据本发明的一优选实施例，热交换器30包括第一热交 换室36和设置在第一热交换室36下的第二热交换室38，每个热交换室被提 供有一热交换表面32，34。第一和第二热交换室36，38的底部被提供有气 体进口管道40，42，风盒44，46以及管口48，50，用于流化在热交换室内 形成的固体层。

根据图1所示的优选实施例，从分离机16流出的热固体沿着回流通道 18通过气封52进入到第一热交换室36中粒子流化床的上面部分。热交换室 的下面区域优选地与上升通道54相连，所述上升通道的下面区域被提供有 管口56，其使得固体以一期望速度流过热交换室36并进一步地通过上升通 道54的上面部分被排放进入到第二热交换室的进口通道58。热交换室36 的上面区域优选地设置有一溢流通道60，通过其如果通过上升通道54被排 放的固体量少于通过分离机16进入热交换室36的固体量，多余的固体被排 放。通过热交换室的固体数量优选地借助于上升通道54和溢流通道60可被 调节。在一些情况下，用于热交换室的其他已知设置也可被使用，例如在美 国第5,537,941号专利中被揭示的。

在图1的装置中，下位热交换室38等同于上位热交换室36，除了在下 位热交换室中进入到热交换室的粒子流从上位热交换室36的上升通道54的 上面部分并从溢流通道60沿着进口通道58被通入到在下位热交换室38内 的粒子流化床的上面部分。此外，将从下位热交换室38的上升通道61的上 面部分和溢流通道62排泄出的固体进入熔炉12。

根据本发明的一个优选实施例，如图1所示，下位热交换室38的上面 区域，优选为进口通道58，包括进入口64，用于将固体直接从熔炉12中的 固体的内部循环通向热交换室38。进入口优选地设置在熔炉的下面区域的 倾斜表面66，这种情况下，热固体通过开口64流入热交换室38，同样在锅 炉10低载荷下，在这种情况下熔炉12内的固体的流化速度相对较低。

根据本发明的优选实施例，上位热交换室36的热交换表面32是锅炉10 的蒸汽循环的最后过热器，下位热交换室38的热交换表面是蒸汽循环的最 后再热器。大型一次通过效用循环流化床锅炉内的熔炉的温度在锅炉的下面 区域是最高的，尤其在低负载情况下，这种设置在低载下也能够提供足够高 的再热温度。热交换室36，38的热交换表面32，34同样也可以为其它热交 换表面，例如两者可以既是过热器又是再热器。

根据本发明的第二优选实施例，图2图示了热交换器68。图1所示， 热交换器68与热交换器30的区别仅仅在于，它的上位热交换室70设有通 过上升通道的侧面通向下位热交换室的第二上升通道72，第二上升通道将 从热交换室68排放出的固体沿着卸料通道74直接通入到熔炉12。上升通道 72的下面部分具有分离的流化气体管口76，从而通过将流化气体流入到图 1中的第一管口56或者流入到图2中的第二管口76，将在热交换室68中冷 却固体引入到下位热交换室78或者直接至熔炉12是可能的。

当期望通过粒子分离机从分离的固体尽可能多地恢复能量时，在上位热 交换室70中冷却的物质优选地通入至下位热交换室78。相应地，当期望进 入到下位热交换室的固体的温度尽可能高时，在上位热交换室70内冷却的 物质优选地直接通入到熔炉12中。在如此操作时，只有未冷却固体要么直 接地仅从熔炉的内部循环通过进入口80仅从，或者同样可能地从外部热循 环通过溢流通道82，进入下位热交换室78。

根据本发明的第三优选实施例，图3是热交换器84的水平横截面的示 意图。该实施例特别地区别于上文所述的实施例在于，它包括第一热交换室 68和第二热交换室88，起根据固体流串联连接，并且与炉12的壁结合平行 设置。从循环流化床锅炉的外部热循环的粒子分离机释放出的固体沿着回流 通道通入到第一热交换室86，从其下面部分通过上升通道90将其回流到熔 炉12是可能的。如果没有足够的流态化气体，其通过设置在通道的下面部 分的流化气体管口92引入到上升通道90，进入热交换室的固体或其中的一 部分，可以通过附于热交换室86的上面区域的溢流通道94在熔炉12内终 止。

图3所示的第一热交换室86的一具体特征是附属于下面区域的第二上 升通道96，通过此上升通道将固体从热交换室86的下面区域输送到第二热 交换室88的上面区域是可能的。上升通道96的低位部分具有分开的流态化 气体管口98，因此将流态化气体以合适的比例输送通过上升通道90，96的 管口92，98，将在第一热交换室86内冷却的物质的期望份额输送到第二热 交换室88是可能的。优选地，例如如图1所示，第一和第二热交换室86， 88包括进口装置，通过此进口装置，将热固体也直接从熔炉12的内部循环 进料是可能的。

图3图示了两个热交换室86，88串联连接。根据另一个优选实施例， 热交换器包括三个并行设置的热交换室，所述热交换室中最远的两个作为第 一热交换室，热固体被直接从粒子分离机被引入到两者。第三室优选设置在 第一、二室中，从而将冷却固体，如果期望的话，从第一室或者从两者输入 到中间室。

出于阐述的原因，图3所示仅有每个类型的一个上升通道90，96，但是 为了结构和操作原因，通常将上升通道分成两个或更多并行通道更好。因此， 例如一溢流通道94可优选地设置在两个并行的上升通道之间。当然，按照 不同方式连接的室的数量也可以比上面所述的更多。如图3所示的室的部分 并联，以及如图1，图2所示的另外部分重叠连接也是可能的。

本发明通过上述的一些典型设置进行了描述。然而，这些设置不应旨于 限制发明的范围，本发明仅应当通过相应的权利要求来限定其保护范围。