ПЕРЕГРЕВАТЕЛЬ ПЕЧИ И РЕАКТОР С ЦИРКУЛИРУЮЩИМ КИПЯЩИМ СЛОЕМ Российский патент 1999 года по МПК F22G3/00 F23C11/02 

Настоящее изобретение касается перегревателя печи, имеющего ряд трубчатых элементов, смонтированных друг с другом таким образом, что они образуют плоскую поверхность.

Настоящее изобретение касается также реактора с циркулирующим кипящим слоем, снабженного перегревателем печи, содержащего камеры реактора, подсоединенный к ней отделитель твердых частиц и трубку обратного хода, которая соединяет отделитель твердых частиц с реакционной камерой. Обеспечены также поверхности испарителей и пароперегреватель, смонтированные в печи циркуляционного реактора с кипящим слоем топлива.

Твердый материл, типа топлива, инертного материала слоя и/или известняка, флюидизируется в реакторе с циркулирующим кипящим слоем при подаче газа через средство подачи газа, расположенное в нижней части реактора. Скорость флюидизации в реакторах с циркулирующим кипящим слоем в нормальных условиях настолько высокая, что значительная часть материала слоя увлекается газом и выводится из реактора. В частности, характерной особенностью циркулирующего кипящего слоя является то, что количество твердого материала, увлекаемого газом, настолько велико, что работу слоя нельзя поддерживать без рециркуляции (или добавления) твердого материала.

В реакторе с циркулирующим кипящим слоем значительные количества твердого материала выпускаются с газами из реактора через верхнюю его часть. В определенных областях реактора имеет место поток как в верхнем, как и в нижнем направлениях. Абсолютный поток материала изменяется в радиальном и осевом направлениях реактора, и поток в нижнем направлении проходит в максимальной близости к наружным стенкам. При увеличении плотности частиц к нижней части камеры реактора увеличивается также накапливание частиц вдоль наружных стенок по направлению вниз. Даже незначительное изменение направления потока частиц вызывает эрозию. Таким образом, реактор с циркулирующим кипящим слоем ставит весьма жесткие условия для различных структур.

Вследствие эрозионных условий реактора с циркулирующим кипящим слоем предложено использовать трубчатые элементы, которые при соединении друг с другом образуют гладкую наружную поверхность. Этот тип конструкции предложен для использования, например, в перегревателе печи в котлах энергетических установок, основанных на технике циркулирующего кипящего слоя, благодаря чему перегреватель можно располагать непосредственно в печи реактора с циркулирующим кипящим слоем. Такие трубчатые элементы прикрепляют друг к другу посредством сварки. Сварка всегда включает в себя ряд занимающих время оперативных этапов, таких как предварительный нагрев, предварительная сварка, сварка в направлении трубы на двух сторонах трубы, коррекция деформаций, вызываемых напряжениями, и проверку сварки. Следовательно панель перегревателя, образованную этим методом сварки, почти неизменно собирают так, чтобы образовать один единственный элемент конструкции. Сварку осуществляют на обеих сторонах, после чего обе поверхности механически обрабатывают с целью получения как можно более гладкой поверхности. Рекомендуется, чтобы в реакторе с циркулирующим кипящим слоем, даже в верхней его части, условия были настолько эрозивными, чтобы в противном случае нельзя было гарантировать достаточную надежность.

Образование поверхностей перегревателя их параллельных круглых труб без их сварки предложено в патенте США N 5012767. Эти соседние трубы прикрепляют друг к другу посредством комбинации двух втулок. Трубы проходят через втулки, а втулки приваривают друг к другу. Это круглое втулкообразное расположение является очень доступным для эрозии, а крепящие втулки образуют также существенную, легко эродирующую точку разрыва непрерывности. В той же публикации патента раскрыта также возможность сварки отдельных крепящих средств между трубами с целью соединения их друг с другом. Даже это расположение обеспечивает теплообменник, весьма доступный для эрозии, и этот тип расположения увеличивает также расстояние между трубками, благодаря чему даже непараллельные трубы можно располагать в одном и том же пространстве.

В патенте EP 0011102 описана механическая связь друг с другом труб узла плиты перегревателя. Используемые связующие элементы имеют, по существу, L-образную форму и прикреплены к трубам посредством сварки.

В патенте США N 2809616 описан также блок перегрева со свисающими плитами перегревателя, в котором трубы каждой плиты соединены радами скоб, содержащих скользящим образом взаимосоединяющиеся части, типа скоб с T-образными прорезями. Такое расположение позволяет осуществлять относительное перемещение между отдельными трубками. В других частях к трубам можно приваривать втулки, где втулки соседних труб соединены проходящими через них штырями.

Целью настоящего изобретения является устранить или довести до минимума необходимость сварки в связи с изготовлением труб перегревателя печи, благодаря чему значительно уменьшается время изготовления конструкции панели. В то же самое время исключаются или минимизируются оперативные этапы сварки, такие как предварительный нагрев, предварительная сварка, сварка в направлении трубы обеих сторон труб, выравнивание деформаций, вызываемых напряжением, и проверка сварки.

Другой целью настоящего изобретения является также обеспечить реактор с циркулирующим кипящим слоем, в котором перегреватели печи образованы в виде плоских поверхностей для того, чтобы соответствовать преобладающим условиям очень простым способом.

Кроме того, целью настоящего изобретения является обеспечить реактор с циркулирующим кипящим слоем, в котором перегреватели печи образованы в виде износоустойчивых конструкций.

Целью настоящего изобретения является исключить или снизить до минимума недостатки известного оборудования и обеспечить полностью новую конструкцию. Изобретение основано на концепции, что перегреватель печи образуют, по существу, без сварки.

Более точно, характерной чертой перегревателя печи, соответствующего настоящему изобретению, главным образом, является то, что трубчатые элементы соединены друг с другом механически.

Кроме того, отличительной особенностью соответствующего настоящему изобретению реактора с циркулирующим кипящим слоем, где упомянутый реактор снабжен перегревателем печи, содержащим реакционную камеру, прикрепленный к ней отделитель твердых частиц и трубку обратного хода, подсоединяющую отделитель твердых частиц к реакционной камере, поверхности испарителя и пароперегреватель, смонтированный в печи реактора с циркулирующим кипящим слоем, главным образом является то, что упомянутый перегреватель содержит плоскую трубчатую панель, образованную из ряда трубчатых элементов перегревателя, механически прикрепленных друг к другу.

В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения перегреватель печи, который особенно подходит для реактора с циркулирующим кипящим слоем, образован из трубок перегревателя прямоугольного поперечного сечения, которые прикреплены друг к другу с помощью пазов или подобного соединения. В связи с этим, термин "прямоугольный" означает форму, имеющую по меньшей мере две, по существу параллельные стороны, которые по меньшей мере частично расположены друг над другом. Таким образом, соответствующий изобретению перегреватель печи образован из ряда отдельных трубок перегревателя, прикрепленных друг к другу с помощью соединительных пазов или чего-либо подобного, образованных в самой трубке перегревателя в ее контактной поверхности.

В соответствии с изобретением соединительный паз или подобный ему элемент может выполнить с помощью механической обработки, или контактные поверхности также можно образовывать путем фрезерования. Соединительный паз или подобный ему элемент можно выполнять многими способами. Однако предпочтительно исключить свободу перемещения элементов относительно друг друга до приемлемой степени.

Соединение образовано в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления выемки, которое выполнено посредством соединения паза или подобного средства в одном трубчатом элементе и выступа в другом трубчатом элементе, которые при сборке вместе образуют механическое соединение.

Элементы перегревателя предпочтительно имеют прямоугольное поперечное сечение и прикреплены друг к другу с помощью паза или подобного средства и выступа или подобного средства, причем упомянутые паз и выступ имеют, по существу, аналогичный профиль. Выступом или подобным средством называют элемент, неподвижным или подвижным образом прикрепленный к трубчатому элементу, расположенному рядом с трубчатым элементом, снабженным пазом, причем выступ имеет форму паза.

В соответствии с изобретением трубчатый элемент предпочтительно содержит круглый трубопровод, образующий проточный канал, ограниченный материалом трубки таким образом, что наружная поверхность трубчатого элемента образована на расстоянии от поверхности проточного канала двумя, по существу, параллельными плоскими поверхностями и двумя контактными поверхностями, по существу, перпендикулярными упомянутым параллельным плоским поверхностям. На контактных поверхностях образованы соединительный паз или подобный ему элемент и/или выступ или подобный ему элемент, по существу, подобные по профилю их поперечного сечения.

Поперечное сечение соединительного паза или подобного элемента в трубчатом элементе и выступа или подобного элемента предпочтительно имеет форму параллелограмма, полупараллелограмма, или круглую, полукруглую или треугольную форму, или является их комбинацией. Если необходимо, можно даже применять некоторые другие формы, реализующие цель изобретения. Соединительный паз или подобный элемент трубчатого элемента предпочтительно имеет поперечное сечение большее или равное поперечному сечению выступа или подобного элемента.

С помощью настоящего изобретения можно добиться существенных преимуществ по сравнению с известной техникой. Изобретение исключает или минимизирует необходимость сварки в направлении трубки перегревателей печи. Время, необходимое для изготовления панельных конструкций, значительно уменьшается, следовательно, также снижается время, необходимое для прохождения панельных конструкций процесса изготовления. Рабочие этапы сварки, такие как подогрев, предварительная сварка, сварка обеих сторон в направлении трубы, выравнивание деформаций, вызываемых напряжением, и проверка сварки заменены на монтаж в соответствии с настоящим изобретением.

Изобретение более подробно описывается с помощью примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 схематически иллюстрирует пример реактора с циркулирующим кипящим слоем, снабженного соответствующим настоящему изобретению перегревателем печи;
фиг. 2 схематически иллюстрирует предварительный вариант осуществления показанного на фиг. 1 перегревателя печи;
фиг. 3 схематически иллюстрирует второй вариант осуществления показанного на фиг. 1 перегревателя печи;
фиг. 4-6 схематически иллюстрируют различные профили поперечного сечения соответствующего настоящему изобретению перегревателя печи;
фиг. 7 схематически иллюстрирует еще один соответствующий изобретению вариант осуществления для образования показанного на фиг. 1 перегревателя печи.

Фиг. 1 иллюстрирует реактор 2 с циркулирующим кипящим слоем, содержащий комбинацию реакционной камеры 4, отделителя 6 горячего газа и возвратного трубопровода 8, в который вводится флюидизирующий газ реактора по трубопроводу 10 в нижнюю часть камеры 4 реактора или в другое место (не показано). Твердый материал, такой как топливо, подается по трубопроводу 12 или по ряду трубопроводов (не показанных). Образующиеся газы выводятся из отделения горючего газа по трубопроводу 14. В реакционной камере поддерживается тепловыделяющий процесс. Это тепло возвращается к испаряющему воду котлу, например, через стенки 16 реакционной камеры, образованные из трубок испарителя. Подлежащая испарению вода вводится в трубки испарителя из цилиндра 18 по трубопроводам 20, и смесь пара и воды течет обратно в цилиндр, например, по трубопроводу 22. Описанный циркуляционный цикл содержит много обобщений и упрощений, в действительности такой цикл включает в себя множество других компонентов. Кроме того, отделитель горячего газа предпочтительно образован из испарителя или других теплообменных поверхностей. В соответствии с изобретением циркуляционный цикл может быть типа естественной циркуляции или принудительной циркуляции; изобретение можно использовать для обеих систем. Перегреватель печи 24 обеспечен в верхней части реакционной камеры, и водяной пар подается в перегреватель печи 24 через средство 26. Водяной пар проходит от перегревателя по каналу 28 к турбине 30, а оттуда обратно к цилиндру по каналу 32. Этот циркуляционный цикл также сильно упрощен.

Перегреватель печи 24 в верхней части реакционной камеры 4 расположен для перегревания пара путем использования тепла, высвобождаемого суспензией твердых частиц и газа в реакторе. Перегреватель 24 смонтирован в реакторе с циркулирующим кипящим слоем таким образом, что он предпочтительно проходит у обоих концов наружу противоположных стенок реакционной камеры. Таким образом, он может, с одной стороны, устойчиво и надежно опираться концами на реакционную камеру. С другой стороны, сравнительно большое расстояние между реакционными стенками устанавливает определенные требования к панели. Практически, конструкция, которая плохо поддерживается, легко начинает вибрировать, или она может изгибаться из-за возможного теплового расширения. Другими словами, панель перегревателя должна быть достаточно стойкой. В соответствии с настоящим изобретением это осуществляют посредством крепления трубчатых элементов в продольном направлении друг к другу с помощью механического соединения. Согласно изобретению, этот вид механического соединения достигается благодаря обеспечению всех поверхностей между соседними трубчатыми элементами контурными взаимосвязывающимися поверхностями таким образом, что контактные поверхности, кроме того, в достаточной степени предотвращают смещение элементов друг относительно друга. Концы перегревателей снабжены трубопроводами 34 для управления и/или разделения потока требуемым образом между отдельными трубчатыми элементами перегревателя. Соответствующий изобретению перегреватель печи образуют путем механического соединения трубчатых элементов друг с другом, благодаря чему нет необходимости осуществлять сварку, в направлении труб. Однако образованная в соответствии с настоящим изобретением трубчатая панель плотно соединена с трубопроводами 34, предпочтительно с помощью приваривания трубчатой панели к этим трубопроводам, так что требования, предъявляемые производством пара, выполняются.

Условия в реакторе с циркулирующим кипящим слоем весьма эрозионные: сравнительно высокая температура (например, 600-1200^oC) в сочетании с твердыми частицами, взвешенными в газе. В этих условиях поверхности разрушаются очень легко, особенно в точках разрыва. Поэтому, в соответствии с изобретением, перегреватель предпочтительно делать из ряда трубчатых панелей, смонтированных одна на вершине другой, которые также образованы из ряда трубчатых элементов 36, соединенных друг с другом, и поверхности которых сделаны, по существу, плоскими с помощью соответствующего изобретению способа образования перегревателя печи.

Фиг. 1 иллюстрирует реактор с циркулирующим кипящим слоем, приспособленный для сжигания топлива. Соответствующий изобретению перегреватель печи можно, если это необходимо, использовать также в печах другого типа, даже, например, в так называемых котлах для сжигания распыленного топлива. Наилучшие характеристики соответствующего настоящему изобретению перегревателя печи становятся понятными особенно в условиях, где перегреватель окружен газовой смесью, содержащей твердый материал. Таким образом, реактор с циркулирующим кипящим слоем также может действовать в качестве охладителя горячего газа, например, в колосниковой печи для сжигания отходов, где главное отличие от вышеописанного устройства заключается в размещении колосника. Соответствующий настоящему изобретению перегреватель печи можно располагать в печи на различных уровнях, хотя на фиг. 1 он расположен в верхней части печи.

Фиг. 2 иллюстрирует устройство соответствующей изобретению трубчатой панели перегревателя печи. На ней показаны два элемента 362, 366, соединенные друг с другом с помощью соединительного паза 364, который образован посредством выреза 368 в одном трубчатом элементе 363 и выступа 370 в другом трубчатом элементе. Выступ и вырез вместе образуют соединение, которое в достаточной степени связывает элементы друг с другом и делает крепкой панель перегревателя. Выступы или вырезы можно сделать в трубчатых элементах так, чтобы каждый элемент содержал вырез на одном конце и выступ на другом конце. В качестве альтернативы, имеется два вида трубок: трубки с попеременными выступами и вырезами, благодаря чему для образования трубчатой панели требуются равные количества обоих типов труб. Упомянутый первый альтернативный вариант является более выгодным, поскольку для него необходимы трубчатые элементы только одного вида. Этот альтернативный вариант показан на фиг. 3. Проточный канал 372 для подлежащего перегреву пара расположен внутри трубчатого элемента. Трубчатый элемент образован в соответствии с изобретением таким образом, что содержит две, по существу, параллельные и плоские поверхности 374, 376, разнесенные друг от друга на расстояние, которое определяется так, чтобы между поверхностями и каналом 372 имелась труба или проточный канал 372, а также достаточное количество материала в области 378 между поверхностями. Элемент имеет, в основном, прямоугольный профиль поперечного сечения с концами 380, 382 на контактных поверхностях, подлежащих подсоединению к соединительным пазам или подобным им элементам в соседних элементах. Поверхности 374 и 376 простираются достаточно далеко, чтобы получить контактные поверхности с вырезами и выступами и достаточную прочность материала.

Фиг. 4 - 6 иллюстрируют различные способы образования контактной поверхности, требуемой для соединения трубчатых элементов. На фиг. 4 выступ и вырез имеют одну перпендикулярную концевую поверхность 41 и одну наклонную концевую поверхность 43. На фиг. 5 выступы и вырезы приблизительно образованы как поверхности окружности, тогда как на фиг. 6 они являются треугольными.

Показанный на фиг. 7 способ соединения трубчатых элементов перегревателя печи друг с другом весьма выгоден. Здесь обе противоположные контактные стороны двух соседних трубчатых элементов 70 обеспечены вырезами 72, и трубчатые элементы 70, когда расположены рядом, образуют пространство 74 между трубками. Трубки соединяют друг с другом путем введения бруска 76 или подобного ему элемента, имитирующего форму пространства 74 в них. Этот брусок 76 соответствует выступу или подобному ему элементу, но он не соединен постоянно с трубчатыми элементами. Брусок или подобный ему элемент не должен проходить непрерывно от одного конца трубок до другого, а может образовать соединение нескольких более коротких кусков, которые располагаются в пространстве 74 согласно конкретному их местоположению. Форму бруска или подобного ему элемента предпочтительно выбирают так, чтобы он, по существу, предотвращал перемещение трубчатых элементов, по меньшей мере перемещение, разносящее элементы друг от друга. С помощью показанного на фиг. 7 устройства можно освободить, например, один трубчатый элемент из трубчатой панели путем удаления брусков с его обеих сторон, или элемент 76, соответственно, с помощью подходящего инструмента. Это очень благоприятное свойство, особенно в связи с реактором с циркулирующим кипящим слоем, поскольку можно осуществлять ремонт перегревателя печи путем замены трубки на другую, что можно выполнить очень просто и быстро.

Прилагаемая фиг. 1 иллюстрирует реактор с циркулирующим кипящим слоем, работающий в атмосферных условиях, но соответствующий изобретению перегреватель печи особенно пригоден в камерах сгорания, которые работают при давлениях выше атмосферного, например, при давлении 2-50 бар (2•10⁵ - 50•10⁵ Па).

Хотя прилагаемые чертежи иллюстрируют ряд вариантов осуществления изобретения, должно быть ясно, что все модификации, очевидные для специалистов в данной области техники, входящие в объем притязаний изобретения, определяются прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение касается перегревателя печи реактора кипящего слоя, имеющего ряд трубчатых элементов, расположенных относительно друг друга таким образом, что они образуют плоскую поверхность, и в котором трубчатые элементы 362 и 366 соединены механическим способом. Элементы 362 и 366 перегревателя предпочтительно имеют прямоугольный профиль поперечного сечения и соединены друг c другом с помощью паза 364 или подобного ему элемента и выступа 370 иди подобного ему элемента, который имеет, по существу, аналогичный профиль. Настоящее изобретение также касается реактора с циркулирующим кипящим слоем, снабженного перегревателем печи. Изобретение позволяет уменьшить время изготовления перегревателя и повысить его износоустойчивость при работе в режиме кипящего слоя. 2 с и 13 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Перегреватель печи (24), снабженный рядом трубчатых элементов (36), соединенных друг с другом и имеющих плоскую поверхность, отличающийся тем, что трубчатые элементы имеют поперечное сечение, которое имеет по меньшей мере две, по существу, параллельные плоские стороны, трубчатые элементы механически соединены друг с другом, и трубчатые элементы, имеющие плоские стороны, соединены так, что поверхность, образованная соединенными трубчатыми элементами, является плоской. 2. Перегреватель по п.1, отличающийся тем, что трубчатые элементы перегревателя, по существу, имеют прямоугольный профиль поперечного сечения и соединены друг с другом с помощью паза или подобного ему элемента и выступа или подобного ему элемента, по существу, имеющего аналогичный профиль поперечного сечения. 3. Перегреватель по п.1, отличающийся тем, что трубчатый элемент содержит предпочтительно круглый трубопровод (372), образующий проточный канал, который ограничен материалом трубки (378) так, что наружная поверхность трубчатого элемента образована двумя, по существу, параллельными и плоскими поверхностями (374 и 376) на расстоянии от поверхности проточного канала и двумя контактными поверхностями (380 и 382), перпендикулярными упомянутым параллельным плоским поверхностям, при этом эти контактные поверхности снабжены пазами или подобными им элементами и/или выступами или подобными им элементами, по существу, аналогичного профиля поперечного сечения. 4. Перегреватель по п.2 или 3, отличающийся тем, что одна боковая сторона трубчатого элемента снабжена пазом или подобным ему элементом, а другая - неподвижным выступом или подобным ему элементом. 5. Перегреватель по п.2 или 3, отличающийся тем, что поперечное сечение паза или подобного ему элемента и выступа или подобного ему элемента в трубчатом элементе представляет собой параллелограмм, полупараллелограмм или они имеют круглую, полукруглую или треугольную форму или их сочетание. 6. Перегреватель по п.2 или 3, отличающийся тем, что паз или подобный ему элемент имеет площадь поперечного сечения, больше или равную выступу или подобному ему элементу. 7. Перегреватель по п.1, отличающийся тем, что перегреватель расположен по меньшей мере частично в печи реактора с циркулирующим кипящим слоем. 8. Перегреватель по п.1, отличающийся тем, что противоположные контактные поверхности соседних трубчатых элементов снабжены вырезами и эти элементы, когда расположены рядом, образуют пространство 74 между трубками, благодаря чему трубки прикреплены друг к другу с помощью установки в пространство 74 бруска или подобного ему элемента, по существу, имитирующего его форму. 9. Реактор с циркулирующим кипящим слоем, снабженный перегревателем печи и содержащий реакционную камеру, прикрепленный к ней отделитель твердых частиц и возвратный трубопровод, который соединяет отделитель твердых частиц с реакционной камерой, поверхности испарители и перегреватель, образованный из соединенных трубчатых элементов и имеющий плоскую поверхность и смонтированный в печи реактора с циркулирующим кипящим слоем, отличающийся тем, что трубчатые элементы, образующие перегреватель, соединены механически друг с другом и поверхность, образованная трубчатыми элементами, является плоской. 10. Реактор по п.9, отличающийся тем, что трубчатые элементы перегревателя в перегревателе реактора имеют, по существу, прямоугольное поперечное сечение и соединены друг с другом с помощью паза или подобного ему элемента и выступа или подобного ему элемента, по существу, аналогичного профиля поперечного сечения. 11. Реактор по п.9, отличающийся тем, что трубчатый элемент перегревателя в реакторе содержит предпочтительно круглый трубопровод, образующий проточный канал, который ограничен материалом трубки так, что наружная поверхность трубчатого элемента образована двумя, по существу, параллельными и плоскими поверхностями в пределах расстояния от поверхности проточного канала и двумя контактными поверхностями, перпендикулярными упомянутым параллельным плоским поверхностям, причем контактные поверхности снабжены пазами или подобными им элементами и/или выступами или подобными им элементами, по существу, аналогичного профиля поперечного сечения. 12. Реактор по п.10 или 11, отличающийся тем, что контактная поверхность трубчатого элемента снабжена пазом или подобным ему элементом, а другая поверхность - выступом или подобным ему элементом. 13. Реактор по п.10 или 11, отличающийся тем, что поперечное сечение паза или подобного ему элемента и выступа или подобного ему элемента трубчатого элемента представляет собой параллелограмм, полупараллелограмм или имеют круглую, полукруглую или треугольную форму или их комбинацию. 14. Реактор по п.10 или 11, отличающийся тем, что паз или подобный ему элемент имеет площадь поперечного сечения, больше или равную площади поперечного сечения выступа или подобного ему элемента. 15. Реактор по п. 9, отличающийся тем, что противоположные контактные стороны соседних трубчатых элементов снабжены вырезами и эти элементы при нахождении рядом образуют пространство 74 между трубками, благодаря чему трубки прикреплены друг к другу путем введения бруска или подобного ему элемента, по существу, имитирующего форму упомянутого пространства, в пространстве 74.