流化床外置式換熱器的專利技術(shù)分析

郭曉明 楊小樂（等同于第一作者）

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州215000）

1 概述

當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的兩大主題：能源與環(huán)境，隨著社會(huì)發(fā)展環(huán)境污染問題不容樂觀，因此發(fā)展高效、低污染的清潔燃燒技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。流化床以其自身的特點(diǎn)順應(yīng)了這一發(fā)展趨勢(shì)，成為了國(guó)際上新一代高效、低污染的清潔燃燒技術(shù)。

最早將外置式換熱器運(yùn)用于流化床生產(chǎn)的是德國(guó)魯奇公司，為了更好的控制流化床爐溫，該公司在20 世紀(jì)末投運(yùn)的50t/h 硫化床上裝備了外置式換熱器。而流化床作為燃煤鍋爐實(shí)際投運(yùn)后，便顯示出來(lái)極強(qiáng)市場(chǎng)適應(yīng)性，不僅在中小型鍋爐競(jìng)爭(zhēng)中得到了市場(chǎng)的認(rèn)可，伴隨著技術(shù)日趨成熟和環(huán)境保護(hù)的需要，迅速地向大型燃煤鍋爐過渡。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行，研究人員發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)流化床上設(shè)置外置式換熱器除了能夠更好的控制爐床溫度還可以讓爐內(nèi)受熱面布置更加的合理，降低爐膛高度，這為循環(huán)流化床向大型化提供了便捷。

2 流化床外置式換熱器的專利發(fā)展趨勢(shì)

圖1 為流化床上裝備外置式換熱器技術(shù)的全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)，從該趨勢(shì)圖可以看出關(guān)于流化床鍋爐外置換熱器的專利申請(qǐng)，經(jīng)歷了不活躍和活躍兩個(gè)截然不同的區(qū)間。

最早在流化床上裝備有外置式換熱器的專利是1982 年在美國(guó)專利局提請(qǐng)的US19820451974A，該發(fā)明專利要解決的主要技術(shù)問題是煙氣脫硫，為了解決這個(gè)技術(shù)問題設(shè)置了外置的燃燒室進(jìn)行補(bǔ)燃，眾所周知，補(bǔ)燃過程會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為了回收該熱量設(shè)置換熱器對(duì)流化床鍋爐的助燃空氣進(jìn)行預(yù)熱，該換熱器布置在流化床外部。

圖1 為流化床上裝備外置式換熱器技術(shù)的全球?qū)＠暾?qǐng)趨勢(shì)

受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)，研究人員對(duì)在流化床上設(shè)置外置式換熱器也僅是為了更好的控制爐床溫度。彼時(shí)，將外置換熱器設(shè)置于流化床外，帶來(lái)了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高等問題不利于市場(chǎng)推廣，且其對(duì)回料閥的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，這些不能得到用戶的認(rèn)可。因此早期關(guān)于流化床外置式換熱器的申請(qǐng)量并不多，從1982 年的美國(guó)專利申請(qǐng)至1991 年之間也僅有5 件專利申請(qǐng)的增加。此時(shí)關(guān)于流化床外置式換熱器的專利申請(qǐng)為不活躍期。

至20 世紀(jì)90 年代中后期，芬蘭奧斯龍公司提出了在流化床的爐膛上部設(shè)置輻射式受熱面，對(duì)于當(dāng)時(shí)主力機(jī)組還是以中小型燃煤流化床而言，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、性能可靠而被廣大的客戶歡迎。但正如前文提到的，隨著鍋爐的容量與參數(shù)提高到一定程度后，所需的蒸發(fā)受熱面面積與鍋爐容量的比例將逐漸下降，此時(shí)單純?cè)谘h(huán)流化床鍋爐爐膛上部布置更多換熱器已經(jīng)不能滿足機(jī)組負(fù)荷要求，同時(shí)給系統(tǒng)布置帶到了很大的困難；為了保證硫化床爐膛處于合理的溫度水平采用外置式換熱器再次成為研究人員的首選，關(guān)于流化床外置式換熱器的專利申請(qǐng)進(jìn)入活躍期。

近些年，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境要求的日益提高，能源利用率、流化床大型化越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)的重視，國(guó)內(nèi)外的科研院所紛紛開始在這項(xiàng)技術(shù)中投入大量的研發(fā)精力。

3 流化床外置式換熱器重要節(jié)點(diǎn)專利

3.1 非流化狀態(tài)的外置式換熱器

最早在流化床上裝備有外置式換熱器的專利US19820451974A。該專利申請(qǐng)中，流化床出來(lái)的未燃燒的含硫顆粒燃料通過分離器分離，分離出的含硫燃料通過管道18 進(jìn)入外置燃燒室19，利用管道22 和21 向外置燃燒室19 中補(bǔ)充空氣和燃料，將含硫燃料燃燒，外置燃燒室19 燃燒后的高溫氣體通過管道30 進(jìn)入到流化床，而被管道15 帶出的顆粒通過換熱器24、管道26 被空氣帶回流化床，此處的換熱器24 為外置式換熱器，在該專利文件中并未提出流化換熱，僅僅是單純作為一個(gè)換熱器使用。

3.2 存在流化的外置式換熱器

捷克專利申請(qǐng)CS8508144A1 中，申請(qǐng)人提到可以將外置式換熱器“external heat exchanger”中的換熱管道6 浸沒“submerged surface” 在 顆 粒 7 內(nèi)。 相 對(duì) 于 美 國(guó) 專 利US19820451974A 中的外置式換熱器，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解在該捷克專利申請(qǐng)中已經(jīng)提到了在外置式換熱器中利用流化換熱的技術(shù)來(lái)對(duì)換熱管束進(jìn)行熱交換，本申請(qǐng)的外置式換熱器已經(jīng)很接近當(dāng)前市場(chǎng)上商用的循環(huán)流化床鍋爐上裝備的外置式換熱器。

3.3 通過外置式換熱器來(lái)控制流化床的爐溫

日本專利申請(qǐng)JP32749687A 中，申請(qǐng)人提出利用外置式換熱器來(lái)溫控流化床的爐溫。在該日本專利申請(qǐng)中，發(fā)明人指出當(dāng)流化床爐膛內(nèi)燃燒溫度低于一定溫度時(shí)，固體燃料燃燒排放的煙氣中硫化物就會(huì)異常，申請(qǐng)人為了控制爐床溫度來(lái)達(dá)到降低硫化物排放的目的，在鍋爐外設(shè)置了外置式換熱器。

通過研究，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道沒有外置式熱交換器的流化床在降低負(fù)荷時(shí)，只能通過減少燃料量和進(jìn)風(fēng)量。但是，此時(shí)爐膛水冷壁的吸熱量不可能按比例減少。相對(duì)較多的吸熱量必然會(huì)使?fàn)t床溫度下降，這直接導(dǎo)致燃燒反應(yīng)和脫硫反應(yīng)不完全，效率下降。而帶有外置式熱交換器的系統(tǒng)，在降低負(fù)荷時(shí)，在減少燃料量和進(jìn)風(fēng)量的同時(shí)，可以適當(dāng)減少通過外置式熱交換器的循環(huán)灰量，使回灰溫度上升，從而補(bǔ)償了爐膛水冷壁相對(duì)較多的吸熱量，使床溫相對(duì)提高，而提高的床溫和燃燒工況對(duì)控制煙氣中硫化物的排放是及其重要的。

在該申請(qǐng)中，固體燃料與石灰石在流化床1 內(nèi)完成燃燒及脫硫反應(yīng)，產(chǎn)生的煙氣通過分離器7 進(jìn)行氣固兩相分離進(jìn)入外置式換熱器10，將外置式換熱器10 設(shè)置為兩個(gè)腔室，分別通過回灰通道11a 和12a 與流化床1 連接，其中11a 連接的腔室內(nèi)設(shè)置有換熱器13，通過溫度傳感器20 檢測(cè)流化床床溫，并送入控制裝置21，而控制裝置21 通過閥16 和18 來(lái)控制回灰溫度，例如當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，提高通過管道12 的回灰量，當(dāng)溫度高于預(yù)設(shè)值時(shí)，提高通過換熱器13 的回灰量，如此達(dá)到控制爐床溫度的目的。

3.4 通過外置式換熱器合理布置爐膛內(nèi)受熱面

在日本專利申請(qǐng)JP10586689A 中，申請(qǐng)人將過熱器16A（或再熱器）和蒸發(fā)器16B 設(shè)置到外置式熱交換器6 中，如此受熱面布置就容易得多，且外置式換熱器本身為一個(gè)弱版的流化床，所以也不存在嚴(yán)重的磨損問題，同時(shí)可以合理的調(diào)整爐膛高度。