專利名稱：排列形成撞擊型粒子分離器的冷卻管的制作方法
相關申請的參考條目本申請是2000年7月10日提交的標題為《CFB鍋爐中的帶有冷卻內部元件的微粒收集器通道》的美國申請系列號09/613,132的延續部分申請。該系列號09/613,132的申請援引在此以作參考。除另外聲明之外，申請系列號09/613,132中術語的定義對本文揭示的內容同樣有效。
發明的領域和背景本發明總的涉及循環流化床(CFB)鍋爐領域，尤其涉及由流體冷卻管構成的改進的撞擊型粒子分離器結構。
CFB鍋爐系統是已知的，這種鍋爐系統被用來產生工業加工和/或發電用的蒸汽。參見例如Belin等人的美國專利Nos.5,799,593、4,992,085和4,891,052，James等人的美國專利Nos.5,809,940、Daum等人的美國專利Nos.5,435,820和5,378,253以及Alexander等人的美國專利Nos.5,343,830。在CFB反應器中，反應的和不反應的固體通過向上的氣流被帶入反應器外殼內，其中向上的氣流將固體帶到反應器的上部的出口，在這里固體通過撞擊型的粒子分離器分離。撞擊型粒子分離器以交錯的陣列放置，從而呈現出一種氣流可以通過但所帶粒子不能通過的路徑。收集的固體回到反應器的底部。一個CFB鍋爐裝置可以在爐子出口處使用多個撞擊型粒子分離器(或凹面沖擊構件或U形梁)，從而使粒子從煙氣中分離出。這些分離器可以具有多種構造，由于它們的截面最常見地為U形結構，故通常被稱為U形梁。
當多個此類撞擊型粒子分離器應用于CFB鍋爐時，它們被支承在爐子外殼內，并且以至少兩排垂直延伸穿過爐子出口開口，而收集的粒子將暢通無阻且不經過地沿后部外殼壁落在收集構件下方。一排中的U形梁的每一相鄰對之間的間隙與前一排或后一排的U形梁對齊，從而呈現出用于煙氣/固體通過的曲折路徑。每一排中的U形梁從煙氣/固體的流體中收集并去除去除粒子，而燃料氣流則連續地圍繞并通過U形梁陣列流動。
這些類形的收集元件與它們的寬度和深度相比通常相對較長。收集元件的形狀通常受到兩方面因素的規定即，U形梁其本身的收集效率以及U形梁自身支承的能力。當使用這些元件時，它們通常被置于爐子的出口處，并且不加冷卻。它們處于爐子的出口處可以防止下游的加熱表面被固體粒子侵蝕。因此，U形梁會暴露在煙氣/固體的流體的高溫中，而U形梁所用的材料必須足夠耐熱，以提供足夠的支承和防損壞的抗力。
長的、自身支承的不銹鋼板通道已被成功地用作CFB鍋爐中的主要固體收集器上，但是商業上可采用的合適的合金的“蠕變”強度限制了收集元件的長度。通過將長的收集元件分割成若干短的部分，由于一系列間斷的支承件以及任意單個部分或元件的較小的重量，各個短的部分的所需強度比長氣道少得多。
被冷卻或支承一冷卻結構的收集元件的制做方法常常包括將若干收集板與水冷卻支承管焊接在一起。參見Daum等人的美國專利Nos.5,378,253和5,435,820。然而，冷卻管的焊接會增加在焊接處發生的管子泄漏的機率。
此外，以這種已知的設計結構，由于冷卻管對定形的收集通道段或元件僅在一些部分接近，因而收集元件的冷卻會不平衡。這樣，由于收集元件較冷卻區域和較熱部分之間的不同的膨脹，形成收集元件的板會趨于變形。
此外，必須對由夾帶在固體/氣體流中的沖擊固體粒子對管子本身造成的侵蝕采取保護措施。保護措施可采用不銹鋼或陶瓷制成的管子遮板，而遮板又必須沿收集器的整體高度使用，這將進一步增加成本。
發明內容
本發明包括各種流體冷卻管的配置方案，這些冷卻管用來形成撞擊型粒子分離器，它們通常為U形，但也可以為W形、E形、V形或其它形狀。此類撞擊型粒子分離器可以特別用于循環流化床(CFB)鍋爐或反應器中。
因此，本發明的一個方面涉及一種用于從循環流化床(CFB)鍋爐的煙氣中分離固體的裝置。在一實施例中，該裝置包括多個位于CFB內的垂直的撞擊型粒子分離器。撞擊型粒子分離器相互相鄰地設置，并且在多排交錯地排列中相互水平隔開。每一個撞擊型粒子分離器包括多個垂直的冷卻管，通過這些冷卻管可輸送冷卻媒質。設置了多個滑動配合元件，這些滑動配合元件具有可以容納并環繞冷卻管的孔，多個滑動配合元件相互協作，從而沿形成側壁和后壁的冷卻管的長度形成一收集通道。側壁和后壁具有多個獨立的垂直定位部分，這些定位部分沿撞擊型粒子分離器的高度縱向延伸，每一個定位部分在其端部與相鄰的定位部分連接。
本發明的另一個方面涉及一種用于從循環流化床(CFB)鍋爐的煙氣中分離固體顆粒的裝置。在該實施例中，該裝置包括多個位于CFB內的垂直的撞擊型粒子分離器。撞擊型粒子分離器相互相鄰地設置，并且至少在兩排交錯的排列中相互水平隔開。每一個撞擊型粒子分離器包括多個垂直的冷卻管，通過這些冷卻管可輸送冷卻媒質。形成單個撞擊型粒子分離器的多個冷卻管通過中間管定位板或桿相互結合或連接，這些定位板或桿至少斷續地位于相鄰的冷卻管之間并沿著這些冷卻管焊接，從而形成一整體結構。可以將多個散熱片凸頭與管子焊接，而后覆上一耐火材料覆層。也可以使用其它的一些抗侵蝕機構，例如陶瓷磚、金屬或陶瓷噴敷層、金屬或陶瓷鑄件、堆焊層以及遮板。
在本發明所附的權利要求書中將詳盡地指出構成本發明新穎性的各種特征。為了更好地理解本發明及使用本發明能達到的工作優點及特殊的益處，可參照附圖以及對本發明的較佳實施例的描述。
附圖的簡要說明附圖分別為
圖1為一種已知的采用一撞擊型粒子分離器系統的CFB鍋爐設計的示意圖；圖2為沿箭頭2-2的方向觀察到的圖1中的爐內組U形梁的的截面圖；圖3為根據本發明的單個的U形梁撞擊型粒子分離器的一第一實施例的俯視圖；圖4為沿箭頭4-4的方向觀察到的圖3中的U形梁撞擊型粒子分離器的右視圖；圖5為沿箭頭5-5的方向觀察到的圖3中的U形梁撞擊型粒子分離器的后視圖；圖6為根據本發明的單個U形梁撞擊型粒子分離器的第二實施例的俯視圖；圖7為沿箭頭7-7的方向觀察到的圖6中的U形梁撞擊型粒子分離器的左視圖
圖8為沿箭頭8-8的方向觀察到的圖6中的U形梁撞擊型粒子分離器的后視圖；圖9為沿箭頭9-9的方向觀察到的圖6中的U形梁撞擊型粒子分離器的右視圖；圖10為根據本發明的單個U形梁撞擊型粒子分離器一第三實施例的俯視圖；圖11為沿箭頭11-11的方向觀察到的圖10的U形梁撞擊型粒子分離器的左視圖；圖12為沿箭頭12-12的方向觀察到的圖10的U形梁撞擊型粒子分離器的后視圖；圖13為沿箭頭13-13的方向觀察到的圖10的U形梁撞擊型粒子分離器的右視圖；圖14為根據本發明的U形梁撞擊型粒子分離器裝置的另一實施例的側視圖；圖15為沿箭頭15-15的方向觀察到的圖14的單個U形梁撞擊型粒子分離器截面圖；圖16為圖14下部的側視圖；圖17為沿箭頭17-17的方向觀察到的圖16的U形梁撞擊型粒子分離器裝置的下部的截面圖；圖18為圖14的U形梁撞擊型粒子分離器裝置的下部的另一種實施例的側視圖；圖19為圖14的U形梁撞擊型粒子分離器裝置上部的另一種實施例的側視圖；圖20為一撞擊型粒子分離器裝置的截面圖，其中示出了V形收集元件的一種交錯配置；圖21為本發明的另一種實施例的側視圖，該實施例采用了一人字形收集元件；圖22為沿箭頭22-22的方向觀察到的圖21的人字形收集元件結構的截面圖；圖23為圖21和圖22所示類形的單個人字形收集元件的截面圖；圖24為沿箭頭24-24的方向觀察到的一偏轉板的截面圖，該偏轉板被用于圖21和圖22的人字形收集元件結構中；圖25為一個單個U形梁撞擊型粒子分離器的截面圖，其中冷卻管由根據本發明的歐米伽管構成；圖26A為圖25的實施例中所用類形的單個歐米伽管的截面圖；圖26B為另一種實現在圖25的實施例中的歐米伽管的方式的截面圖，該實施例使用了普通管子和膜片桿；圖27為兩個互鎖滑動配合鑄件的截面圖，這根據本發明，它們可被設置在冷卻管上，形成一單個U形梁撞擊型粒子分離器以提高抗侵蝕力；圖28為單個U形梁撞擊型粒子分離器的截面圖，其中根據本發明，冷卻管設有與之相連的保護鑄件以提高抗侵蝕力；圖29為單個U形梁撞擊型粒子分離器的部分截面圖，其中根據本發明，冷卻管設有螺栓固定的保護鑄件以提高抗侵蝕力；圖30為沿圖29中的箭頭30-30的方向觀察到的單個U形梁撞擊型粒子分離器的部分側視圖；圖31為根據本發明的人字形收集元件的交錯陣列的另一實施例的截面圖；圖32為圖31所示類形的單個人字形收集元件的截面圖，根據本發明，該收集元件設有抗侵蝕的耐火材料；圖33為圖31所示類形的單個人字形收集元件的截面圖，根據本發明，該收集元件設有一包圍的不銹鋼材料以提高抗侵蝕力；圖34為圖31所示類形的單個人字形收集元件的截面圖，根據本發明，其中的冷卻管由鑄造金屬包圍以提高抗侵蝕力；圖35為一單個U形梁撞擊型分離器的另一實施例的俯視圖，根據本發明，該粒子分離器由用于輸送冷卻流體的矩形管道材料構成；圖36A為根據本發明的單個U形梁撞擊型分離器的下部分立體圖，其中，相鄰冷卻管的下部流體貫通地相互連接以形成180°的彎頭；圖36B為根據本發明的單個U形梁撞擊型分離器的下部的立體圖，其中，形成U形梁的相對側的冷卻管的下端流體貫通地相互連接以形成180°的彎頭；圖37為根據本發明的單個U形梁撞擊型分離器的下部的立體圖，其中，冷卻管的下端流體貫通地與最接近氣體路徑的地板上方的一公共歧管相連；圖38為根據本發明的單個U形梁撞擊型分離器的下部的側視圖，其中，冷卻管的下端流體貫通地與最接近氣體路徑的地板的下方的公共歧管相連；
圖39為根據本發明的一單個U形梁撞擊型粒子分離器的另一種實施例的立體圖，其中，各個冷卻管的下部設有一防止下部侵蝕的直徑減小部分。
較佳實施例的描述此處所使用的術語”CFB鍋爐“指其中可發生燃燒過程的CFB反應器或燃燒室。雖然本發明特定引用的使用CFB燃燒室為產生熱量的裝置的鍋爐或蒸汽發生器，但是需理解的是，本發明也可以很容易地用于不同的CFB反應器中。例如，本發明可以應用在化學反應的的反應器，而不是用于燃燒過程用的反應器，或者用于將由在其它地方的燃燒過程產生的氣體/固體顆粒混合物提供到反應器中以進行進一步的處理的反應器，或者用于這樣一種反應器，該反應器僅提供一外殼，在該外殼中粒子或固體顆粒被夾帶在氣體中，而該氣體不一定是燃燒過程的副產物。類似地，為了便于說明，在下列論述中使用了術語“U形梁”，該術語從廣義上指任何類形的可從帶有粒子的煙氣中收集和去除粒子凹面沖擊構件或撞擊型的粒子分離器。具體地說，撞擊型粒子分離器是非平面的，它們可是U形、V形、E形、W形或任何其它具有一凹面或杯狀面的形狀，該表面呈現于迎面而來的煙氣和夾帶的粒子的流體，可以使構件從煙氣中收集并去除粒子。
接著，參照附圖，其中所有附圖中相同或功能類似的元件用相同的標號表面，圖1示出了一個以標號10表示的爐子，該爐子包括循環流化床12、排氣道14以及微粒返回道16。燃料的燃燒在循環流化床12中進行，并會產生充滿微粒物質的熱廢氣或煙氣。熱氣通過爐子10上升到達排氣道14，在氣體被輸送到大氣(未圖示)之前，從這里氣體將穿過和/或通過若干傳熱表面(例如過熱器、再熱器或省煤器)17以及清潔階段。
若干排交錯的撞擊型粒子分離器20定向在爐子10的上部中，并且通常從爐子頂26處開始支承。第一組粒子分離器22被稱為爐內U形梁22，而第二組粒子分離器24設置并定位在爐子出口的下游，該出口由圖1中位于組22和24之間的垂直虛線示意性地表示。在煙氣中夾帶的微粒物質會撞擊到撞擊型粒子分離器20上，而微粒物質從中分離并直接自由下落回到循環流化床12，在這里可以進行回收微粒的進一步燃燒或反應。一般而言，撞擊型粒子分離器20是非平面的，并且其截面最好為U形，但它們也可以為V形、E形、W形或某些類似的凹而結構或杯狀結構。
圖2為形成爐內組22的U形梁20的爐內U形梁22的截面圖，并示出了多排U形梁20是如何相對于相鄰各排交錯排列的。在爐內組22中各個U形梁20的底部，通常有一形成盤狀物或擋板23的平板，其用途是防止煙氣和夾帶的粒子繞過U形梁20。
接著，參照圖3、4和5，其中示出了根據本發明的U形梁撞擊型粒子分離器20的第一實施例。各個U形梁20由若干冷卻管30構成，這些冷卻管30可以由水、蒸汽、兩者的混合物或其它一些合適的冷卻媒質進行冷卻。冷卻管30以及以這些冷卻管30作為一部分形成的U形梁如同圖1中所示出的已知的U形梁20那樣垂直定位，并且可以從爐子10的頂26起被支承。形成單個U形梁20的冷卻管30一個接著一個排列，如圖3所示，可以用四個冷卻管30來形成一個單個的U形梁，其中每一個冷卻管30位于U形梁的各個角上。這些冷卻管30的外徑(OD)通常為1″，當然也可使用其它的管徑。
如圖3、4和5所示，每一個U形梁20還包括多個具有若干孔52的滑動配合元件50，這些孔52位于部分57(如圖所示，該部分可以為一擴大部分，以圍繞容納在其中的冷卻管30)中并且可容納各個形成一單個U形梁20的冷卻管30。這樣，滑動配合元件50可以圍繞各個冷卻管30，并且通過沿U形梁20的垂直高度相互堆疊而形成一收集通道60。形成U形梁20的各個滑動配合元件50包括兩側壁54和一后壁56。如圖4和圖5所示，各個側壁54和后壁56由多個垂直定位部分70構成，而該定位部分70在含有圍繞冷卻管30的孔52的部分57之間延伸。多個滑動配合元件50的垂直定位部分70沿垂直延伸的冷卻管30的長度設置，并且相互結合形成U形梁20的收集通道60。
在垂直定位部分70之間可以設置搭接處80或其它類似的連接機構。在各個垂直定位部分70的頂部和底部的搭接處80可防止氣體和固體顆粒在定位部分70之間泄漏，并且允許垂直定位部分尺寸短期和長期的膨脹和收縮。
這樣，冷卻管30可提供一被冷卻的支承件，并可對定位部分70進行定位和冷卻。冷卻管30還可沿各個定位部分70提供一種獨特的對稱的溫度分布，但又不會使元件變形，而這種元件變形的情況通常會在由于定位部分70的不對稱的冷卻而產生不對稱的溫度分布情況時出現。
各個滑動配合元件50可以由合金、陶瓷或其它具有較高熱阻的材料構成。在圖3、4和5的實施例中，各個滑動配合元件50包括一單個的整體件，該整體件包括兩側壁54和一后壁56，并且該整體件可在冷卻管30上滑動。該單個的整體件可為一鑄造件或一擠壓件。然而，可以理解的是，該滑動配合元件也可以使用其它結構。
接著，參照圖6、7、8和9，在另一個實施例中，各個側壁54以及后壁56是獨立的滑動配合元件，這樣，需要三個獨立的滑動配合元件形成U形梁20的一個單個平面或截面部分。端部57與各個側壁54和后壁56的孔52在搭接處80重疊。
接著，參照圖10、11、12和13，在另一個實施例中，側壁54和后壁56可以由兩個具有L形截面的元件59形成。L形元件59的端部通過搭接處80在后壁56處重疊。
如圖6和10中的實施例所示，除圖3中示出的四個冷卻管之外，還可以使用額外的冷卻管30，以形成、支承并冷卻收集通道元件。當需要較大尺寸的U形梁20，或者需要不同的冷卻管30時，也可以使用這種結構。以這種方法，可以使用較低熱阻的材料來形成滑動配合元件50，但又可沿各個U形梁20的垂直高度維持獨特的勻衡的溫度分布。
在先前提到的Daum等人的美國專利Nos.5,378,253和5,435,820中揭示了被冷卻的收集元件，但其中所說明的設計方案未能解決對在大多數商業應用造成防礙的重大的實踐困難。如專利′253和′820所示出的，每個分離器元件僅由四個冷卻管構成，并焊接有在冷卻管之間延伸的膜片桿以形成收集部分。對這種設計的應用造成嚴重限制的有以下兩個方面的原因。第一，取決于當分離器元件以CFB中的溫度工作時，膜片桿極限氧化溫度對膜片桿的最大寬度造成限制。由于膜片桿被與之相連的管道冷卻，所以最大的膜片桿溫度發生在由膜片相連的管道之間的中間位置，而該位置處的溫度必須保持低于氧化極限溫度的可接受的水平。這個方面可以通過使用具有較高氧化極限溫度的合金桿來解決，或者甚至可以使用不銹鋼管和膜片桿，可以理解的是，這種方法成本非常昂貴，而且實際上這并未能為設計者提供較多的膜片桿最大寬度的增加量。第二，受到膜片桿最大寬度限制的結果，單個收集元件的實際尺寸會受到所需要的有效且性價比高的收集性能要求的限制。
相反，本發明的下列實施例在各個單個分離元件120的每一側至少采用了三個或更多個冷卻管126，并以相應數量的冷卻管126形成各個元件120的后部。這樣，分離器元件120的尺寸不會受到峰值膜片溫度的限制，而分離器元件120可以根據需要設計得盡可能大。因為在收集的固體顆粒由于裝填過量而在固體顆粒朝分離元件120的底部的向下游的移動上“散出”之前，單個分離元件120內的較大的截面可使較多的固體量留在截面“中”，由于大尺寸分離器元件120的使用可以實現較長的分離器的使用，所以這一點是很重要的。換而言之，分離元件120具有較長的有效部分。較大尺寸分離元件120的使用意味著需要的/使用的個數較少，這使得CFB鍋爐可以做得較窄(對于給定的爐子平面截面積，爐子的深度可以做得更大)，從而降低成本。
圖14到圖24示出了根據本發明的U形梁撞擊型粒子分離器的另一實施例，該粒子分離器標號為100，而該種分離器特別適合用在CFB鍋爐中。再次說明，術語“U形梁”是為了便于說明而使用的，該術語從廣義上指可從帶有粒子的煙氣中收集和去除粒子的任何類形的凹面沖擊構件或撞擊型粒子分離器。具體地說，該撞擊型粒子分離器是非平面，它們可以是U形、V形、E形、W形或任何其它具有一凹面或杯狀面的形狀，該表面存在于接近的煙氣和夾帶的粒子的流體，可以使構件從煙氣中收集并去除粒子。
粒子分離器裝置100由多個垂直延伸的、交錯的收集U形梁元件120構成，它們至少配置成兩排，一上游排122和一下游排124。該裝置100可以被用作一組爐內U形梁22或外部U形梁24。U形梁120由多個冷卻管126構成，通過這些冷卻管126可輸送一種冷卻媒質，例如水、蒸汽、水汽混合物或者其它適合的冷卻流體。通過位于裝置100上部128和下部130的上部和下部管道、集管和歧管，冷卻流體可以被輸送進入及離開U形梁120。對于U形梁120的此類管道、集管和歧管的特定配置形成了本發明的一個重要方面，這將在下文中作更為詳細的描述。
接著，回到圖15，其中示出了圖14的單個U形梁撞擊型粒子分離器120的截面圖。在本例中，U形梁收集元件設有多個冷卻管126，這些冷卻管126相互配置形成收集元件的基本輪廓。在本例中，總共使用了十二個冷卻管126，但根據所需要的U形梁的尺寸，以及根據流體冷卻和壓降等因素，也可以使用更多或更少的冷卻管126。在U形梁120內的各個冷卻管126設有多個凸頭(stud)132，這些凸頭沿冷卻管126的長度并圍繞其圓周焊接在管子126上，以使U形梁120用上耐火材料134。形成一特定的U形梁的單個管道126還通過中間管定位板或桿(例如膜片桿136)而相互連接，這些中間管定位板或桿至少斷續地位于相鄰的冷卻管126之間并沿著冷卻管焊接，以使U形梁120保持為一整體的固定的結構。膜片136以及凸頭132從耐火材料134向冷卻管126傳導熱量，而在冷卻管126處這些熱量通過內部流動的諸如水和/或蒸汽之類的冷卻媒質被傳導開。耐火材料134可以通過工廠生產而安裝在U形梁120上，以降低成本并確保應用的一致性，或者耐火材料也可以現場安裝。
圖16為圖14下部的側視圖，其中更具體地示出了可以用來向或從U形梁120供給冷卻流體的管道、集管和歧管配置的第一實施例。冷卻管126的下端與多個垂直的歧管138流體貫通地相連，而這些垂直的歧管138又與一集管140流體貫通的相連。再次說明，這即可以是一進口集管140和相關的進口歧管138，也可以是一出口集管140和出口歧管138。在圖16所示的配置中，兩排122、124的U形梁120為相同模塊的部分，也就是說，它們是從同一個歧管138進行供給的。CFB的尺寸和允許的運輸限制將決定單個U形梁120的數量，這些U形梁120可以是已組裝好的，也可以運送到現場之后再進行安裝。進口或出口管道144可以根據要求來應用及布線。
參照圖16和圖17，本發明的另一個方面包括冷卻管126的使用，該冷卻管以適當方式在U形梁的下端彎曲成一盤狀物或擋板142，該擋板142將有助于防止氣體和夾帶的粒子圍著U形梁120的下端130繞過。流體冷卻盤狀物142還設有若干凸頭132，并覆有耐火材料134。根據本發明，如果需要，可以在U形梁120的下端使用傳統的盤狀物或擋板23。
圖18為示出了圖14的U形梁撞擊型粒子分離器裝置的下部的另一實施例的側視圖，具體地說，前排122的U形梁120以及后排124的U形梁120每一排都和單個集管138流體貫通地相連。仍然可以應用那些在涉及下部130用作U形梁120內流動的冷卻媒質的進口或出口的可能的情況之前提出的那些概念。
圖19示出了圖18中示出的實施例的上部128的側視圖。這里如圖所示，對于每一排122、124的U形梁120而設置的單個進口或出口歧管138與相配的進口或出口管道144相連。
圖20為根據本發明的撞擊型粒子分離器裝置的截面圖，其中示出了V形收集元件的交錯配置方案。再次說明，各個冷卻管126設有多個凸頭132，這些凸頭沿冷卻管126的長度并圍繞其圓周焊接在管子126上，以使U形梁120用上耐火材料134。形成一給定的U形梁的單個管道126還通過膜片桿136而相互連接，這些膜片桿136至少斷續地焊接在相鄰的冷卻管126之間，以使其保持為一固定的結構。膜片136以及凸頭132從耐火材料134向冷卻管126傳導熱量，而在冷卻管126處這些熱量通過內部流動的諸如水和/或蒸汽之類的冷卻媒質被傳導開。耐火材料134可以通過工廠生產而安裝在U形梁120上，以降低成本并確保應用的一致性，或者耐火材料也可以進行現場安裝。
圖21到圖24示出了本發明的一實施例，該實施例中使用了通常被稱之為人字形收集元件150的配置。各個冷卻管126同樣也設有多個凸頭132，這些凸頭沿冷卻管126的長度并圍繞其圓周焊接在管子126上，以使人字形收集元件150用上耐火材料134。形成一給定的人字形收集元件150的單個管道126也通過膜片桿136而相互連接，這些膜片桿136至少斷續地焊接在相鄰的冷卻管126之間，以使其保持為一固定的結構。膜片136以及凸頭132從耐火材料134向冷卻管126傳導熱量，而在冷卻管126處，這些熱量通過內部流動的諸如水和/或蒸汽之類的冷卻媒質被傳導開。耐火材料134可以通過工廠生產而安裝在U形梁120上，以降低成本并確保應用的一致性，或者耐火材料也可以現場安裝。人字形收集元件150可以有選擇地沿人字形收集元件150的垂直高度相隔一定距離設置一個或多個偏轉板152。這些偏轉板152用于引導收集的固體粒子回到人字形收集元件150中。較佳地，通過焊接連上人字形收集元件150的一第一部分154和一第二部分156，當例如用在一CFB鍋爐中時，該第一部分基本平行于煙氣和固體粒子的流動而延伸，而第二部分與第一部分154相連并相對于第一部分154成角度θ地延伸。角度θ通常約為30°，但也可以為配合一特定的應用而在約10°到90°之間變化。
圖22和圖23中示出的第二部分156為一平面，但本發明并不僅限于此，如圖23中A和B處的虛線所示，該第二部分156也可以為弓形、分段的形狀以及成一定角度彎曲。
圖23示出了單個V形人字形收集元件150。如圖C所示，那些相互成一直線的收集元件150可以在第一部分154的端部處進行連接，或者它們也可以相互獨立。
本發明還涉及各種可提高此處揭示的冷卻的U形梁撞擊型粒子分離器的抗侵蝕力的結構。在圖25中，形成單個U形梁120的冷卻管包含被稱為歐米伽管160的管子，它們如圖所示在164處焊接在一起，從而其截面形成所需要的U形梁。在所示出的實施例中，歐米伽管的尺寸可以為1-3/8″乘1″，而壁厚為3/16″。盡管此類歐米伽管60是本技術領域的熟練的技術人員所已知的，但迄今為止，還未了解到有將這些類歐米伽管60用在這種U形梁撞擊型粒子分離器中的先例。如圖26A所示，每一個歐米伽管設有一個流動通道161以及若干個端部166，這些端部166設有斜面部分，以便于與相鄰的歐米伽管焊接164。如圖26B所示，歐米伽管可以使用普通管126以及與管頂部焊接的膜片桿137未有效地實現。
圖27示出了兩個具有孔162的活動鑄件170的配置方案，其中的孔162可容納并環繞冷卻管126。活動鑄件170具有陽部172和陰部174，以便于相鄰鑄件的定位。這些鑄件170通常可以由低合金金屬材料制成，但它們也可以表面覆有“309”合金，以提高其抗侵蝕力。
圖28示出了保護鑄件180的一種配置方案，這些保護鑄件180較佳地可通過如184處所示出的塞焊焊接到冷卻管126上。除前邊緣之外，鑄件180可具有一1/4″的外表面(overface)，而鑄件182可設有一1/2″的外表面。如圖所示，每種類形的鑄件的后部可以被彎曲，使其同將與之相連的冷卻管的外徑相匹配。
圖29和圖30示出了保護鑄件190的一種配置方案，該保護鑄件190將通過螺栓194連接到U形梁撞擊型粒子分離器120上，螺栓最好通過保持相互相鄰的冷卻管126的膜片136或中間金屬管定位板。在鑄件190中可設置孔192。在兩種情況中，鑄件最好都通過過膜片或中間管定位板。如果希望，螺栓194可以用與膜片或中間管定位板的任何一側焊接在一起的凸頭代替。如上所述，前邊緣處的鑄件(未圖示)較佳地可以進行塞焊。
圖31和圖32-34示出了根據本發明的交錯排列的人字形收集元件的另一實施例，以及使該實施例提高抗侵蝕力的各種方法。再次說明，可以設置交錯排列的撞擊型粒子分離器元件，這里，對齊的若干組冷卻管126如以前那樣連接在一起(用中間管定位板或膜片136)。散熱片200以有規律的間隔焊接在冷卻管126上，從而為進入的煙氣/固體顆粒流動物提供曲折的路徑。這些冷卻管可以設有抗侵蝕的耐火材料(圖32)、一環繞的不銹鋼遮板202(圖33)(如果需要，可帶有膨脹槽)，或者它們也可以由鑄造金屬或堆焊層204圍繞(圖34)。
圖35示出了單個U形梁撞擊型粒子分離器120的另一種實施例，根據本發明，該實施例由用于輸送冷卻流體的矩形管210構成。如圖所示，單個管子元件210可以在212處焊接在一起。較佳地，矩形管210可以由碳鋼(SA-178Gr.C)制成，只要通過其中的冷卻流體可保持金屬溫度低于所用碳鋼的蠕變范圍(大于700°F)即可。
圖36A、36B、37和圖38示出了根據本發明的單個U形梁撞擊型粒子分離器120的下端的特定結構的細節。為了清晰明確，沒有示出對冷卻管126或任何歧管138的侵蝕保護裝置，需理解的是，顯然在實踐中可以設置這種侵蝕保護裝置。如Alexander等人的美國專利No.6,095,095中所揭示的，該專利的內容援引在此以作參考，CFB結構是已知的，其中在爐子出口的下游的排氣煙道14內可以設置至少兩排外部U形梁，而收集的粒子將沿著地板220返回(本發明的圖36A、36B、37和38)。U形梁120的側部222、224和后部226還是由冷卻管126構成。
冷卻管126的下端228可以用各種方法流體貫通的連接。例如圖36A、36B、37和圖38中所示，冷卻管126的下端228在直接位于交錯的若干排撞擊型粒子分離器之下的地板220的近端延伸。地板220形成了CFB鍋爐10的排氣煙道14。在某些情況中，如圖36A所示，形成撞擊型粒子分離器120的相鄰的冷卻管126(例如形成一側部或另一側部222、224的那些冷卻管，或者形成后部226的那些冷卻管)的下端相互流體貫通地相連，使其形成180°的彎頭。或者，如圖36B所示，形成撞擊型粒子分離器120的相對兩側222、224的冷卻管126的下端228相互流體貫通地相連，以形成180°的彎頭。這些配置結構相對簡單，但需理解的是，它們會使冷卻撞擊型粒子分離器120不能排水。
如圖37所示，形成撞擊型粒子分離器120的冷卻管126的下端228與一公共歧管138流體貫通地相連，該公共歧管138位于排氣煙道14的地板220的近端，在本例中是位于地板220的上方，而圖38示出了一實施例，其中歧管138位于地板220的下方。需理解的是，在實踐中，公共歧管可以部分地或完全地埋在地板220中。更具體地說，這種設計使分離器120能夠排水，而來自于各個冷卻管的冷卻流體的混合物可以提供其它的一些好處，例如消除由于單個冷卻管126吸收的熱量不均勻而引起的溫度的不平衡。另外，如果需要，圖38中示出的設計使得能更好地接近各冷卻管126與岐管138的焊接處。
最后，圖39示出了根據本發明的單個U形梁撞擊型粒子分離器120的另一種實施例的立體圖，其中各個冷卻管126的下部228設有一直徑減小部分250，以防止下部228被侵蝕。本實施例采用了Walker等人標題為《對向下游流動的固體顆粒的壁保護》的美國專利No.6,044,805以及公開的PCT申請WO00/68615中所采用的概念的變化形式，這些公開物的內容援引在此以作參考。在那些公開物中，采用了一直徑減小部分來消除在壁包圍物以及分隔壁結構上的界面處通常存在的不連續性。然而，如圖39所示，各個冷卻管126的下部228設置有一直徑減小部分或區域250來防止對U形梁120下部228的侵蝕。為了實現這種改變，各個管126的外徑在260處模鍛至一減小的直徑。如在上述美國專利6,044,805和WO 00/68615公開物中所揭示的，如果需要，在過渡部分250可以設置成一定形狀的耐火材料270，并且可消除通常存在于抗侵蝕的耐火材料處的不連續性。在直徑減小部分250下方，下至各個U形梁120的端部同樣也可以設置抗侵蝕的耐火材料134。
因此，可以理解的是，各個U形梁撞擊型粒子分離器元件可由若干個冷卻管構成，這些冷卻管相互連接，從而使管子相互相關地保持在適當位置。在一些實施例中，冷卻管通過中間管定位板或桿相互結合或連接，而中間管定位板或桿至少斷續地在相鄰的冷卻管之間并沿著冷卻管進行焊接，以形成一整體結構。用于引導收集的固體粒子回到分離器元件中的偏轉板，如圖24中的板152類似，可以用在單個U形梁撞擊型粒子分離器的任何一個實施例中。在所有的實施例中，必須對撞擊型粒子分離器元件的冷卻管進行保護以防其被侵蝕和腐蝕。可以采用各種措施來防止管子被侵蝕，在一些情況下，可以在冷卻管上使用活動配合鑄件，而在另一些情況下，可以將諸如陶瓷或耐火材料之類的材料與管子相結合以達到侵蝕防護的目的。如上所述，并在形成本發明內容的一部分的附圖中所示出的，在本發明的某些實施例中，可使流體送入或送離管子的相關的進口和出口的選定路線以及連接被認為是本發明的一個重要的特征。在某些情況中，進口和出口的連接將決定撞擊型粒子分離元件可以生產的模塊化的程度，由此加快現場安裝進程以及降低成本。在另一情況中，這些連接的特定部分實際上可以形成并實現盤狀物或擋板的功能，這些盤狀物或擋板被用來與些類U形梁相連，以防止氣體圍著撞擊型粒子分離器元件的端部繞過。當然，需理解的是，普通的未加冷卻的金屬盤狀物或擋板也可以用于本發明的上述結構。
以上示出并詳細描述了本發明的特定一些實施例，以說明本發明的原理的應用，精于本技術領域的人員應當可以理解，在不脫離這些原理的情況下，對由下列權利要求書所涵蓋的本發明的形式可以做出各種變化。例如，本發明可以用于涉及循環流化床反應器或燃燒室的新的結構，或者用于對現有的循環流化床反應器或燃燒室的進行替換、修理或改變。在本發明的某些實施例中，有時可以使用本發明的特定一些特征以達到有利的目的，而不相應地使用其它的一些特征。因此，所有的此類變化和實施例當完全落在下列權利要求書的范圍內。
權利要求
1.一種用于從在循環流化床(CFB)鍋爐中的煙氣中分離固體顆粒的裝置，該裝置包括多個位于CFB內的垂直的撞擊型粒子分離器，這些撞擊型粒子分離器相鄰地設置，并且在多排錯開的排列中橫向地相互間隔開，每一個撞擊型粒子分離器包括多個垂直的冷卻管，通過這些冷卻管可輸送冷卻媒質；以及多個滑動配合元件，這些元件具有可以容納并圍繞冷卻管的孔，多個滑動配合元件相互協作從而沿由各側壁和一后壁形成的冷卻管的一段長度形成一收集通道，側壁和后壁具有多個獨立的垂直定位部分，這些定位部分沿撞擊型粒子分離器的高度縱向延伸，每一個垂直定位部分在其端部與相鄰的定位部分相連。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，相鄰的垂直定位部分在搭接處相遇。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，側壁的一第一端覆蓋后壁的一第二端，而該第一端和第二端在搭接處相遇。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，多個滑動配合元件相互協作以形成多個垂直的撞擊型粒子分離器，這些分離器的截面為U形、E形、W形或某些類似的凹面或杯狀的結構。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，側壁和后側還包括兩個具有L形截面的部分，這兩部分具有重疊的端部，這些端部在搭接處相遇。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，滑動配合元件由金屬和陶瓷其中一種制成。
7.一種用于從在循環流化床(CFB)鍋爐中的煙氣中分離固體顆粒的裝置，該裝置包括多個位于CFB內的垂直的撞擊型粒子分離器，這些撞擊型粒子分離器相鄰地設置，并且至少在兩排相互錯開的排列中橫向地相互間隔開，每一個撞擊型粒子分離器包括多個垂直的冷卻管，通過這些冷卻管可輸送冷卻媒質，形成一單個撞擊型粒子分卻器的多個冷卻管相互連接形成一整體結構，并且其中在單個撞擊型粒子分離器中的至少一個冷卻管在其下部被彎曲并布置形成一盤狀物，以防止氣體圍著撞擊型粒子分離器的下端繞開。
8.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，垂直的撞擊型粒子分離器的截面可以為U形、E形、W形、V形或者凹面或杯狀的結構。
9.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，形成單個撞擊型粒子分離器的多個冷卻管通過中間管定位板或桿而相互連接，這些中間管定位板或桿至少斷續地在相鄰的冷卻管之間并沿著這些冷卻管焊接，以形成整體的結構。
10.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，至少兩排的冷卻管在撞擊型粒子分離器的上部和下部與一公共的歧管流體貫通地相連。
11.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，至少兩排的冷卻管在撞擊型粒子分離器的上部和下部與一獨立的歧管流體貫通地相連。
12.如權利要求7所述的裝置，其特征在于，冷卻管設有抗侵蝕裝置，這些裝置至少由下列中的一種構成多個散熱片凸頭，這些凸頭與冷卻管焊接，并覆有耐火材料覆蓋層；陶瓷磚；金屬或陶瓷噴敷層；金屬或陶瓷鑄件；堆焊層；以及遮板。
13.一種用于從在循環流化床(CFB)鍋爐中的煙氣中分離固體顆粒的裝置，該裝置包括多個位于CFB內的垂直的撞擊型粒子分離器，這些撞擊型粒子分離器相鄰地設置，并且至少在兩排相互錯開的排列中橫向地相互間隔開，每一個撞擊型粒子分離器包括多個垂直的冷卻管，通過這些冷卻管可輸送冷卻媒質，形成一單個撞擊型粒子分離器的多個冷卻管相互連接形成一整體結構，并且其中，形成單個撞擊型粒子分離器的多個冷卻管包括一人字形收集元件。
14.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，人字形收集元件具有一第一部分和一第二部分，該第一部分在使用時基本與煙氣和固體粒子流體平行地延伸，而該第二部分與第一部分相連，并且相對于第一部分成角度θ延伸。
15.如權利要求14所述的裝置，其特征在于，角度θ的范圍約為10°到90°。
16.如權利要求14所述的裝置，其特征在于，該裝置至少包括一個在第一和第二部分之間延伸的偏轉板。
17.如權利要求14所述的裝置，其特征在于，在相繼各排中的人字形的收集元件的第一部分連接在一起，使其形成氣體/固體顆粒流動所用的獨立的平行路徑。
18.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，人字形收集元件具有一第一部分和一第二部分，該第一部分在使用時基本與煙氣和固體粒子流體平行地延伸，而第二部分與第一部分相連，并且具有弓形和分段形之一的形狀。
19.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，至少兩排的冷卻管在撞擊型粒子分離器的上部和下部與一公共的歧管流體貫通地相連。
20.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，至少兩排的冷卻管在撞擊型粒子分離器的上部和下部與一獨立的歧管流體貫通地相連。
21.如權利要求13所述的裝置，其特征在于，冷卻管設有抗侵蝕裝置，這些裝置至少由下列中的一種構成多個散熱片凸頭，這些凸頭與冷卻管焊接，并覆有耐火材料覆蓋層；陶瓷磚；金屬或陶瓷噴敷層；金屬或陶瓷鑄件；堆焊層；以及遮板。
22.一種用于從在循環流化床(CFB)鍋爐中的煙氣中分離固體的裝置，該裝置包括多個位于CFB的氣體路徑內的垂直的撞擊型粒子分離器，這些撞擊型粒子分離器相鄰地設置，并且至少在兩排相互錯開的排列中橫向地相互間隔開，每一個撞擊型粒子分離器包括多個垂直的冷卻管，通過這些冷卻管可輸送冷卻媒質，至少有三個相鄰的冷卻管形成各個分離器的每一側，形成單個撞擊型粒子分離器的多個冷卻管通過中間管定位板或桿相互連接，而中間管定位板或桿至少斷續地位于相鄰的冷卻管之間并沿著冷卻管焊接，以形成一整體結構，其中，當CFB鍋爐使用時，定位板或桿的最大溫度不超過形成膜片桿的材料的氧化極限溫度。
23.如權利要求22所述的裝置，其特征在于，至少兩排的冷卻管的下端在直接位于交錯的若干排撞擊型粒子分離器下方的地板的近端延伸并形成CFB鍋爐的氣體路徑。
24.如權利要求23所述的裝置，其特征在于，形成撞擊型粒子分離器的相鄰的冷卻管的下端相互流體貫通地相連而形成180°的彎頭。
25.如權利要求23所述的裝置，其特征在于，形成撞擊型粒子分離器的相對兩側的冷卻管的下端相互流體貫通地相連而形成180°的彎頭。
26.如權利要求23所述的裝置，其特征在于，形成撞擊型粒子分離器的冷卻管的下端與一公共歧管流體貫通地相連，而該公共歧管位于氣體路徑的地板近端。
27.如權利要求22所述的裝置，其特征在于，冷卻管設有抗侵蝕裝置，這些裝置至少由下列中的一種構成多個散熱片凸頭，這些凸頭與冷卻管焊接，并覆有耐火材料覆蓋層；陶瓷磚；金屬或陶瓷噴敷層；金屬或陶瓷鑄件；堆焊層；以及遮板。
28.如權利要求22所述的裝置，其特征在于，該裝置包括若干鑄件上的滑動件，這些鑄件上的滑動件可接收并環繞多個垂直的冷卻管，該鑄件上的滑動件具有陽部和陰部，以便于相鄰鑄件定位。
29.如權利要求22所述的裝置，其特征在于，該裝置包括若干鑄件螺栓，這些鑄件螺栓通過中間金屬管定位板或膜片而螺栓連接在撞擊型粒子分離器上而保持各冷卻管彼此鄰接。
30.一種用于從在循環流化床(CFB)鍋爐中的煙氣中分離固體顆粒的裝置，該裝置包括多個位于CFB內的垂直的撞擊型粒子分離器，這些撞擊型粒子分離器相鄰地設置，并且至少在兩排相互錯開的排列中橫向地相互間隔開，每一個撞擊型粒子分離器包括多個垂直的冷卻管，通過這些冷卻管可輸送冷卻媒質，多個形成一單個撞擊型粒子分離器的冷卻管相互連接形成一整體結構，其中，形成單個撞擊型粒子分離器的多個冷卻管包括一人字形收集元件，該人字形收集元件包括以規定間隔焊接到冷卻管上的若干散熱片，以向進入的煙氣/固體顆粒流提供曲折路徑。
31.如權利要求30所述的裝置，其特征在于，多個垂直的冷卻管設有抗侵蝕結構，這些結構至少由下列中的一種構成多個散熱片凸頭，這些凸頭與冷卻管焊接，并覆有耐火材料覆蓋層；陶瓷磚；金屬或陶瓷噴敷層；金屬或陶瓷鑄件；堆焊層；以及遮板。
32.一種用于從在循環流化床(CFB)鍋爐中的煙氣中分離固體顆粒的裝置，該裝置包括多個位于CFB內的垂直的撞擊型粒子分離器，這些撞擊型粒子分離器相鄰地設置，并且至少在兩排相互錯開的排列中橫向地相互間隔開，每一個撞擊型粒子分離器包括多個垂直的矩形冷卻管元件，通過這些冷卻管元件可輸送冷卻媒質，這些矩形冷卻管元件相互焊接以形成一整體結構。
33.一種用于從在循環流化床(CFB)鍋爐中的煙氣中分離固體顆粒的裝置，該裝置包括多個位于CFB的氣體路徑內的垂直的撞擊型粒子分離器，這些撞擊型粒子分離器相鄰地設置，并且至少在兩排相互錯開的排列中橫向地相互間隔開，每一個撞擊型粒子分離器包括多個垂直的冷卻管，通過這些冷卻管可輸送冷卻媒質，其中，形成單個撞擊型粒子分離器的多個冷卻管為歐米伽管，這些管子相互連接以形成一整體結構。
34.一種用于從在循環流化床(CFB)鍋爐中的煙氣中分離固體顆粒的裝置，該裝置包括多個位于CFB的氣體路徑內的垂直的撞擊型粒子分離器，這些撞擊型粒子分離器相鄰地設置，并且至少以兩排相互錯開的排列橫向地相互間隔開，每一個撞擊型粒子分離器包括多個垂直的冷卻管，通過這些冷卻管可輸送冷卻媒質，至少有三個冷卻管形成各個分離器的每一側，形成一單個撞擊型粒子分離器的多個冷卻管相互連接形成一整體結構，其中，每一個冷卻管的下部設有一直徑減小部分，以防止對下部的侵蝕。
35.如權利要求34所述的裝置，其特征在于，該裝置包括覆蓋在每一個冷卻管的直徑減小部分的成定形的陶瓷磚，以防止所述部分被侵蝕。
36.如權利要求35所述的裝置，其特征在于，該裝置包括位于冷卻管下部一部分上的抗侵蝕耐火材料，而該部分位于在直徑減小部分之下。
37.如權利要求1、7、22、30、32、33和34中任何一項所述的裝置，其特征在于，該裝置包括至少一個偏轉板，該偏轉板在各個分離器元件的側部之間延伸。
38.如權利要求1、13、22、30、32、33和34中任何一項所述的裝置，其特征在于，該裝置包括一在撞擊型粒子分離器的底部的盤狀物或擋板，以防止煙氣和夾帶的粒子繞過撞擊型粒子分離器。
全文摘要
一種用于從在循環流化床(CFB)鍋爐中的煙氣中分離固體顆粒的裝置,該裝置包括多個垂直的撞擊型粒子分離器,這些分離器由位于CFB內的多排交錯排列的冷卻管制成的。一個實施例使用了多個堆疊的滑動配合元件,該元件具有可容納冷卻管的孔。滑動配合元件相互協作形成一收集通道,該通道通常為U形,它可以從通過粒子分離器輸送的煙氣中分離出粒子。在單個滑動配合元件之間的搭接處可防止氣體和固體顆粒從中漏出,并允許熱膨脹。或者,該撞擊型粒子分離器包括的冷卻管相互連接以形成一整體結構。與冷卻管焊接在一起并覆蓋耐火材料的散熱片凸頭、陶瓷磚、金屬或陶瓷噴敷層、金屬或陶瓷鑄件、堆焊層和或遮板可提供抗侵蝕力。
文檔編號F22B37/00GK1387938SQ0212046
公開日2003年1月1日 申請日期2002年5月24日 優先權日2001年5月25日
發明者D·J·沃克, S·M·卡維達斯, M·馬里安契克, F·貝林, K·C·亞歷山大, D·R·吉布斯, D·E·詹姆斯, D·L·維茨克 申請人:巴布考克及威爾考克斯公司